2013年12月，武田玲奈在第2届歌手发掘试唱比赛中获得大奖，并由此在演艺界出道。
2014年2月，成为了青年杂志《Popteen》的专属模特，开始进行演艺活动；4月，武田玲奈说服了一直反对自己去东京去生活的父母，从家乡福岛县前往东京；同年被选为第96回（日本）全国高等学校棒球大赛福岛县KFB高中的应援人物。
2015年2月26日，武田玲奈登上了青年杂志《周刊YOUNG JUMP》的封面，以写真偶像身份出道并初次参与泳装拍摄；3月，出演漫改电影《暗杀教室》实现演员身份出道，为饰演“不破优月“一角将长发剪为短发；8月，担任西班牙足球运动联赛大使；10月3日，与吉本实忧、葵若菜等人联合出演的剧情片《罪的留白》在日本上映，饰演“木村千晶”一角；10月25日，与中川大志、山崎紘菜、森川葵等人联合出演的漫改日剧《监狱学园》在日本首播，饰演学生会会长“栗原万里”的妹妹“栗原千代”；接着首次担任主演的恐怖电影《万圣节噩梦2》在日本上映；11月20日，首次参与WOWOW电视台特别节目《伝统の一戦クラシコ直前！生放送スペシャル》的现场直播；同年参与拍摄电视剧《没撑伞的蝼蚁们》的第4集，扮演角色“赤津舞”的中学时代。
2016年3月，参演特摄剧《假面骑士亚马逊们》；4月1日，武田玲奈宣布从青年杂志《Popteen》毕业；4月2日，出演的惊悚恐怖电影《窥视之眸》在日本首映；4月20日，从《non-no》杂志发售的6月号开始担任该杂志的专属模特；10月，在唐泽寿明主演的刑侦喜剧《最后的警察》里扮演了女刑警“小山内美咲”；12月，参演滨边美波主演的漫改日剧《天才麻将少女》。
2017年4月，与野田洋次郎、松井玲奈、我妻三轮子等人合作出演了漫改悬疑日剧《百万日元的女人们》；5月，搭档冈山天音双主演的拳击题材电影《诗歌天使》在日本上映；7月，与饭丰万理江双主演TBS电视台深夜剧《真的要去航海》，饰演目标成为女性航海士的女大学生“石川燕”；9月，出演山本耕史主演的时代剧《植木等とのぼせもん》。
2018年，主演关东地方TVK于1月开播的《人狼游戏：走失伊甸》。同时，与这部剧联动拍摄而成的电影版《人狼游戏：地狱》由绫部真弥导演，聚集了武田玲奈等同批卡司，于4月7日上映。
2019年，出演AbemaTV原创日剧《公子哥少年》。
2020年4月12日，出演由中村伦也主演的电视剧《美食侦探明智五郎》播出。11月27日，主演恐怖电影《真・鲛岛事件》上映。
2021年7月7日，出演的电视剧《八月在夜晚的击球中心。》播出；参演电视剧《Y医生：外科医生加地秀树第六季》。2021年，参演电视剧《离婚活动》。
2022年1月8日，出演的电视剧《喂帅哥！！》播出；参演电视剧《持续可能的恋爱？～父亲与女儿的结婚进行曲～》播出。5月27日，出演的电视剧《异世界居酒屋阿信 第二季～魔女与大主教篇～ 》播出。
