二零一五年八月二十一日，在鸟居坂46成员徵选的最终审査阶段，小林由依从总计两万两千五百零九位报名者中成功获选，成为一期生合格成员（共计二十二名）并正式对外披露。与此同时，运营方也于当日宣布将团体名称更改为“欅坂46”，标志着这一团体在经历严格选拔后正式组建成立，开启了其全新的发展历程。
二零一六年，小林由依的演艺事业迈出了重要的一步，她参演了电视剧《谁杀了德山大五郎》，并在剧中饰演了与本人同名的角色小林由依，由此开启了演员生涯。同年四月，作为欅坂46组合的一员，她随团推出了首张单曲《沉默的多数派》，正式在音乐领域亮相。紧接着在八月，组合发行了第二张单曲《世界上只有爱》，进一步巩固了在乐坛的地位。十月八日，小林由依以模特身份登上“Girls Award”的舞台，参与了时尚走秀。随后的十一月三十日，她与欅坂46共同发布了第三张单曲《二人季节》，持续活跃于音乐活动之中。进入二零一七年四月，组合推出了第四张单曲《不协和音》。同年五月十八日，小林由依再次涉足影视领域，参演了电视剧《残酷的观众们》，成功塑造了小柳郁美这一角色。十月，欅坂46发行了第五张单曲《任凭飞吹》。二零一八年三月，组合带来了第六张单曲《打破玻璃》。同月三十一日，她再度以模特身份亮相，参加了第二十六届“东京女孩展演”的走秀活动。同年七月，小林由依迎来了个人时尚事业的突破，正式宣布成为时尚杂志《with》的专属模特。这一任命使她成为欅坂46组合内第五位、坂道系列偶像中第十八位获此殊荣的成员，同时也是《with》这本杂志历史上首位担任专属模特的偶像。八月十五日，她随组合发行了第七张单曲《矛盾心理》。二零一九年二月二十七日，欅坂46推出了第八张单曲《黑羊》。三月十三日，小林由依个人事业迎来里程碑，她的首本个人写真集正式发售。二零二零年一月二十四日，她参演了由冈田结实主演的日剧《女高中生的虚度日常》，在剧中饰演了染谷莉莉一角。四月二十七日，她与乃木坂46的成员梅泽美波合作，首次共同登上了《with》杂志的封面，展现了跨组合的合作魅力。同年十一月十三日，她参演的电影《樱》正式上映。二零二一年九月九日，小林由依因故宣布暂停演艺活动。经过一段时间的休整，她于十二月九日在《1st YEAR ANNIVERSARY LIVE》的初日活动中正式复归。二零二二年三月二十一日，她再次登上东京女孩展演的舞台进行走秀。十月四日，她的第二本个人写真集发售。二零二三年十一月二十九日，小林由依对外宣布了将从组合毕业的消息。二零二四年一月三十一日及二月一日，她举办了隆重的毕业演唱会，为组合生涯画上句点。展望未来，她已计划于二零二五年八月二十七日发行个人的首张音乐专辑《yousti》，开启事业的新篇章。