2015年,梁霆炜被梅峰导演选中,出演抗日战争题材电影《不成问题的问题》,在片中与范伟搭档演绎师徒情,这也是他的首部影视作品。为了更好的理解剧中人物,梁霆炜在开拍前独自撰写了人物小传。梁霆炜写真2016年3月5日,梁霆炜与陈赫,尹正等合作主演的古装电视剧《极品家丁》开机,在剧中梁霆炜饰演阴险狡诈,聪明机警的四家丁之一胡兰；同年9月19日,与王小虎,塔娜花日等联袂主演的科幻题材电影《少年幽浮的魔幻之旅》开机,在片中饰演重情重义的男主角吴楠；同年11月,梁霆炜主演的电影《不成问题的问题》获得第29届东京国际电影节最佳艺术贡献奖,同时他也凭借该片成为中国内地首个入围电影节最佳男演员的95后艺人；同年12月,与蒋中炜随梅峰导演携合作影片《不成问题的问题》,出席央视六套新年特别节目“电影之夜”。2017年1月,梁霆炜与徐小晰,李健仁等联袂主演由翁鸿达执导的犯罪题材电影《电击七日》,在片中饰演沉迷网络的男主高飞；梁霆炜剧照2月,在陈翔,郭晓婷等人主演的古装自制剧《寻秦记》中饰演“开心果”荆俊。后主演青葱计划创投作品电影《了不起的高二八班》,饰演善良可爱的富二代梁璨。11月,主演电视剧《姥姥的饺子馆》饰演女主最小的儿子“方达”。“方达”一角本身的性格也与梁霆炜十分相似,坚韧内敛,不张扬,也十分执着有韧劲,凡事都会尽力做到最好。2018年,搭档硬汉樊少皇主演军事动作片《特种使命之怒海潜龙》饰演片中男一,蛟龙突击队王牌队员“唐巍”。2020年2月,其主演的电影《东海人鱼传》上映。主演《狼群行动2》参与主演电视剧《民为天之丁宝桢》,饰演曾昭吉2021年9月24日,在播出的电影《东海人鱼传2》里饰演严烈。2022年,参演电影《千里不留行》播出。11月27日,主演的电影《非道缉恶》在爱奇艺上映。2023年3月24日,梁霆炜搭档刘烨,胡军主演的电影《望道》上映,片中饰演“俞秀松”望道剧照
梁霆炜凭借其既酷似文艺青年又捎带“鲜奶之气”的形象气质受到业内导演关注。其开朗活泼的性格,及幽默风趣的为人处世方式也令其行走于文艺,二次元,阳光型男之间,可塑性强。活动照梁霆炜在拍摄《不成问题的问题》时,演绎“寿生”内心转变及情绪细节处理方面,表现的相当到位,范儿很正。不管是神情或满是戏抓人的双眼,他都令大众对他的表演印象深刻。梁霆炜私下生活中不乏《极品家丁》剧中饰演的角色“胡兰”都有幽默搞笑的一面,长着一张沉着冷静的脸,却刚好让人常常不由自主感受到“严肃喜剧”的震撼力。