自幼受到家人对动画喜爱的熏陶，她逐渐对声优这一职业产生了浓厚的兴趣。自学生时代起，她便频繁参与各类声优试镜活动，最终通过参加81 Produce举办的试镜而正式踏入了声优行业。追溯其成为声优的契机，源于她对VOCALOID角色镜音连的深深喜爱，内心怀抱着渴望能用类似连那样清澈动人的声音来说话与歌唱的梦想。在中学阶段，她曾有一整年时间没有参加任何社团活动。直到初中二年级，在朋友的热情邀请下，她加入了当时部员严重不足、濒临废部的乒乓球部，从而开始了社团体验。她就读于一所初高中一体化的学校，升入高中后，同样在朋友的引荐下，她成为了学校吹奏乐部的一员。在吹奏乐部期间，她尤其沉醉于萨克斯和小号的演奏之中，个人主要担任中音萨克斯的演奏者，经过持续练习，终于在高三那年成功登上了正式的表演舞台。进入大学选择专业时，出于对神话传说与生命伦理等课题的长期兴趣，她决定攻读哲学专业。2014年，她在业界瞩目的第8回81 Produce试镜中脱颖而出，同时荣获了优秀赏、サミー赏以及NOTTV赏三项重要奖项。
二零一七年四月一日，天海由梨奈正式加入81 Produce事务所，成为其旗下艺人。同年，她参加了手机游戏《勇气之剑×火焰之魂》的角色配音选拔并成功获奖，由此获得了为游戏中艾莉丝一角献声的宝贵机会，开启了其职业生涯中一个重要的篇章。二零二一年七月二十七日，其所属事务所发布公告，确认天海由梨奈感染了新型冠状病毒；随后在八月三日，事务所再次通报，表示她已顺利康复并恢复健康。进入二零二五年，她的工作持续活跃：一月四日，由她参与配音的电视动画《一杆青空》正式播出；同年七月九日，另一部她献声的电视动画《帝乃三姐妹原来很好搞定。》也与观众见面；紧接着在十月五日，她参与配音的电视动画《赛马娘 芦毛灰姑娘 第二季》也如期播映。此外，天海由梨奈也曾参与写真集的拍摄工作。