2015年，青年演员梁霆炜获得了梅峰导演的青睐，被选中出演抗日战争题材电影《不成问题的问题》。他在片中与资深演员范伟搭档，共同演绎了一段深厚的师徒情谊，而这部作品也标志着梁霆炜演艺生涯的正式开端，成为他的首部影视作品。为了更深入地理解剧中人物的内心世界与行为动机，梁霆炜在电影开拍前做足了功课，独自潜心撰写了详尽的人物小传。2016年3月5日，梁霆炜参与了由陈赫、尹正等主演的古装电视剧《极品家丁》的开机仪式，他在剧中塑造了阴险狡诈却又聪明机警的四家丁之一胡兰，展现了对复杂角色的驾驭能力；同年9月19日，他与王小虎、塔娜花日等演员联袂主演的科幻题材电影《少年幽浮的魔幻之旅》正式开机，梁霆炜在片中饰演了重情重义的男主角吴楠，进一步拓宽了戏路；同年11月，梁霆炜主演的电影《不成问题的问题》在国际上荣获第29届东京国际电影节最佳艺术贡献奖，与此同时，他也凭借在该片中的精湛表演，成为中国内地首位入围该电影节最佳男演员奖项的95后艺人，获得了业界的广泛关注；同年12月，梁霆炜与演员蒋中炜一同跟随梅峰导演，携合作影片《不成问题的问题》出席了央视六套的新年特别节目“电影之夜”。2017年1月，梁霆炜与徐小晰、李健仁等合作，主演了由翁鸿达执导的犯罪题材电影《电击七日》，他在片中饰演了沉迷网络的男主角高飞；2月，他在陈翔、郭晓婷等人主演的古装自制剧《寻秦记》中，饰演了活泼讨喜的“开心果”荆俊一角。此后，他主演了青葱计划创投作品电影《了不起的高二八班》，饰演了一位善良可爱的富二代角色梁璨。同年11月，他在电视剧《姥姥的饺子馆》中饰演了由陈小艺所扮演的女主角最小的儿子“方达”。这个角色坚韧内敛、不事张扬却又执着有韧劲的性格特质，与梁霆炜本人的气质十分相似，他也将自己凡事力求做到最好的态度融入到了表演之中。2018年，梁霆炜搭档动作演员樊少皇，主演了军事动作片《特种使命之怒海潜龙》，他在片中饰演男一号，即蛟龙突击队的王牌队员“唐巍”。2020年2月，其主演的电影《东海人鱼传》登陆院线。此后，他主演了《狼群行动2》，并参与了电视剧《民为天之丁宝桢》的演出，在剧中饰演角色曾昭吉。2021年9月24日，在播出的电影《东海人鱼传2》里，梁霆炜饰演了角色严烈。2022年，他参演的电影《千里不留行》正式播出。同年11月27日，其主演的电影《非道缉恶》在爱奇艺平台上映。2023年3月24日，梁霆炜搭档刘烨、胡军两位著名演员，主演的电影《望道》上映，他在片中饰演了历史人物“俞秀松”；同年10月26日，其主演的电视剧《丁宝桢》在CCTV-8的黄金强档播出。2025年2月17日，他出演的现代女性家庭情感轻喜剧《180天重启计划》与观众见面；同年9月15日，他出演的当代涉案剧《枫桥警事》也如期播出。2026年2月9日，梁霆炜出演的网络微短剧《月上寒星之吴堡石城》在优酷视频平台播出。
梁霆炜以其独特的气质形象获得了业内众多导演的青睐，他既带有文艺青年的沉静感，又隐约透出一股清新的“鲜奶之气”，这种混合特质令人过目不忘。在性格上，他开朗活泼，待人接物幽默风趣，这种特质使他能够自如地游走于文艺圈、二次元文化以及阳光型男等多种风格领域，展现出极强的可塑性。在拍摄《不成问题的问题》的过程中，梁霆炜通过对角色“寿生”内心转变的细腻刻画以及对情绪细节的精准把握，将人物演绎得十分到位，整体表演风格端正而富有韵味。无论是他充满故事感的神情，还是那双深邃抓人的眼睛，都让观众对他的表演留下了深刻印象。在私下生活中，梁霆炜也常常流露出幽默轻松的一面，这一点与他曾在《极品家丁》剧中饰演的角色“胡兰”有相通之处——尽管他长着一张沉着冷静的面孔，却总能在不经意间传递出令人会心一笑的喜感，恰恰是这种反差，让人时常感受到一种“严肃喜剧”所带来的独特震撼力。