2008年，小松菜奈以模特身份出道，开始担任各时尚杂志的平面模特。

2010年，出演个人首部电影作品《肥皂泡》。

2013年，主演剧情短片《我回来了》。

2014年，参演中岛哲也执导，役所广司主演的悬疑剧情片《渴望》，饰演时而清纯又时而性感的诡异少女藤岛加奈子，此片入围了第39届多伦多国际电影节“先锋单元”，而小松菜奈个人也凭借在片中的不俗表现获得第38届日本电影学院奖最佳新演员奖、第39届报知电影奖新人奖、第69届每日映画评选会最佳新人奖。同年，在纯爱片《近距离恋爱》中饰演女主角枢木润希。

2015年，主演根据绵矢莉莎同名小说改编的都市励志剧《造梦女孩》，饰演当红女星阿部夕子。同年，小松菜奈还在漫改青春励志片《爆漫王》中饰演了女主角，个性单纯却意志坚定的女高中生亚豆美保。此外，她还参演了漫改悬疑片《预告犯》。

2016年，主演漫改青春爱情片《溺水小刀》，饰演曾是顶尖青少年模特儿的望月夏芽；而她在漫改校园爱情片《才不对黑崎君言听计从》中则饰演了女主角赤羽由宇。随后，小松菜奈还在小说改编的纯爱片《明日的我与昨日的你约会》中饰演了女主角福寿爱美；在真利子哲也执导的剧情片《错乱的一代》中饰演那奈 ；在丰岛圭介执导的喜剧片中《英雄迷的生活》中饰演了拥有超高情报收集能力的高中女生寺泽薰，凭借在多部影片中的表现获得了第90届日本电影旬报奖新人女演员奖、第38届横滨电影节最优秀新人奖、第8届TAMA映画赏最优秀新人女演员奖的荣誉；同年，小松菜奈还主演了电影《高台家的人们》的前传剧集，并饰演30年前的高台由布子。
2017年，参演马丁·斯科塞斯执导的历史剧情片《沉默》；并在漫改动作片《JOJO的奇妙冒险：不灭钻石第一章》中饰演女主角，性格强势的女高中生山岸由花子。同年，在双主角联动剧《Thrill 红之章 警视厅庶务科 瞳的破案笔记》和《Thrill 黑之章 律师白井真之介的大灾难》中饰演了在警视厅庶务科工作的女职员中野瞳。11月，确认参演电影《恋如雨止》。

2018年3月10日，参演的电影《坂道上的阿波罗》上映，她在片中饰演性格温柔的女主角迎律子；5月，与大泉洋共同主演的电影《恋如雨止》将在日本上映。12月7日，参演的电影《来了》在日本上映。

2019年2月22日，参演的电影《马拉松武士》在日本上映，在剧中饰演雪姬。5月22日，发行和门胁麦合唱的单曲《再见，嘴唇》。5月31日，参演的电影《再见，嘴唇》在日本上映，在剧中饰演reo。11月1日，参演的电影《闭锁病栋》在日本上映，在剧中饰演岛崎由纪。11月28日，获第44届报知电影奖最佳女配角奖。
2020年，参演的电影《樱》上映，在剧中饰演MIKI。1月15日，凭借《闭锁病房》获第43届日本电影学院奖最佳女配角提名。4月，参演电影《恋爱寄生虫》。4月24日，主演的电影《糸》在日本上映，在剧中饰演园田葵。