在2011年，渡边木实迎来了其演艺生涯中的一个重要里程碑，她在电影《第八日的蝉》中饰演了由井上真央所扮演的主人公的童年时期角色。凭借对这一角色的出色演绎，她成功斩获了第35届日本电影学院奖（又称日本奥斯卡金像奖）的新人演员奖，并因此成为该奖项历史上最为年幼的获奖者，展现了其早熟的表演天赋。同年，她的演艺活动颇为活跃，还先后参演了多部电视剧作品，包括《水户黄门》、《只要活着就好》以及《玫瑰色的圣战》，进一步积累了表演经验。 进入2012年，渡边木实继续拓展戏路，她在由泷本美织主演的犯罪推理题材日剧《完美的蓝》的第七话中亮相。同年12月，她又有机会参与由堺雅人主演的电影《大奥永远右卫门佐·纲吉篇》，并在片中饰演了名为松姬的角色，与资深演员的合作令其获益匪浅。2013年，她出演了由北乃绮主演的特别剧（SP）《Unfair2013SP 双重定义 Yes or No？》。随后在11月，她又加入了由村上信五主演的校园喜剧《喷嚏大魔怪》，尝试了不同的剧集风格。 2014年对渡边木实而言是作品丰富的一年。她与芦田爱菜、铃木梨央等童星出身的演员共同出演了引发广泛社会讨论的作品《明天妈妈不在》，并在其中饰演了波比一角。同年4月，她出演了由泷藤贤一主演的深夜剧《我的绅士时尚》。8月，她又在波瑠主演的灵异悬疑剧《怪谈：三岛屋奇异百物语》中贡献了表演。10月，她参演了由山下智久主演的日剧特别篇《心理学家成海朔的挑战：少女为何必须失忆？》。到了11月，她则出演了由吹石一惠主演的温馨家庭剧《妈妈和爸爸活着的理由》，在剧中饰演女主角的女儿吉冈亜衣，展现了其诠释家庭情感戏份的能力。 2015年，渡边木实的演艺事业持续发展。她首先出演了向井理主演的电视剧《永远的0》。紧接着在2月，她又参与了相武纱季主演的电视剧《玻璃芦苇》。此后，她获得了参演NHK电视台第93部晨间剧《小希》的机会，这是日本电视剧领域一个备受瞩目的重要平台。同年6月，她参演的科幻动作电影《流浪者年代记》在日本全国公映，使其在大银幕上的表现再次受到关注。