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。
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”。
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（
陈小艺饰）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”。
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”10月26日，主演的电视剧《
丁宝桢 》在CCTV-8黄金强档播出。
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。（凤凰网评）
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。（网易娱乐评）
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。（中国新闻网）