2010年，在王全安执导的历史片《白鹿原》中饰演白灵一角而走入公众视线。2013年，出演贾樟柯导演的剧情片《天注定》海外上映获好评，并凭借此片随剧组参加第66届戛纳国际电影节，成为首位踏上国际红毯的90后内地女演员。2014年主演摇滚青春片《摇滚英雄》。2015年起，相继拍摄警匪片《解救吾先生》；同年，拍摄青春片《致青春·原来你还在这里》、《万物生长》、《夏天十九岁的肖像中》中塑造了多个性格迥异的少女形象，灵气十足、个性执着也成为其突出的银幕标签。2016年，凭借主演改编自路内同名小说的工厂青春片《少年巴比伦》获第23届北京大学生电影节最佳女演员提名；同年，出演胡雪桦导演的《上海王》成为第18届上海国际电影节闭幕影片。

2017年，李梦再曝入组姜文导演新作《侠隐》而备受关注。同年主演电影《英雄本色2018》饰美琳一角，该片将于2018年1月18日上映。2018年1月28日，李梦凭借贾樟柯监制电影《海上浮城》获得第34届圣丹斯电影节“集体表演奖”，是唯一入围且获奖的中国影片。