2010年，14岁的小松菜奈以模特身份出道并开始在艺能界活动；同年，小松菜奈还出演了个人首部电影作品《肥皂泡》。此后两年，小松菜奈主要担任各时尚杂志的平面模特 。2013年，小松菜奈与宇野祥平搭档主演了剧情短片《我回来了》。

2014年，小松菜奈又与役所广司、中谷美纪、小田切让联袂主演了现代悬疑剧情片《渴望》，并在片中饰演了时而清纯又时而性感的诡异少女藤岛加奈子 ，此片则入围了第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了第69届每日映画评选会最佳新人奖 ，以及第38届日本电影学院奖最佳新演员奖 ；10月11日，与山下智久、水川麻美、小泷望与共同主演的浪漫爱情电影《近距离恋爱》在日本上映，并在片中饰演了性格沉稳冷静且十八般武艺样样全能的天才高中生枢木润希 ，小松菜奈则凭借此角色开始在演艺方面崭露头角；同年，小松菜奈还与佐藤健、神木隆之介合作主演了根据同名漫画热血青春励志片《食梦者》，小松菜奈则在中饰演了个性单纯却意志坚定的女主角亚豆美保 ；此外，小松菜奈还主演了都市励志剧《梦女孩》 。

2015年，小松菜奈与众多艺人共同出演了马丁·斯科塞斯执导的历史剧情片《沉默》。同年与东出昌大、菅田将晖等人合作了漫改喜剧电影《英雄迷的生活》，并在剧中饰演拥有超高情报收集能力的高中女生薰 。参演电影《毁灭宝贝》，化身为妖艳的陪酒女郎 。

2016年，2月2日电影《我才不会对黑崎君说的话言听计从》完成，小松菜奈饰演女一号赤羽由宇 。主演由同名漫画改编的青春恋爱电影《溺水小刀》，秋季上映 。主演根据人气小说改编的电影《明日的我与昨日的你约会》，12月上映 。