2015年，梁霆炜被梅峰导演选中，出演抗日战争题材电影《不成问题的问题》，在片中与范伟搭档演绎师徒情，这也是他的首部影视作品。为了更好的理解剧中人物，梁霆炜在开拍前独自撰写了人物小传。
2016年3月5日，梁霆炜与陈赫、尹正等合作主演的古装电视剧《极品家丁》开机，在剧中梁霆炜饰演阴险狡诈、聪明机警的四家丁之一胡兰；同年9月19日，与王小虎、塔娜花日等联袂主演的科幻题材电影《少年幽浮的魔幻之旅》开机，在片中饰演重情重义的男主角吴楠；
同年11月，梁霆炜主演的电影《不成问题的问题》获得第29届东京国际电影节最佳艺术贡献奖，同时他也凭借该片成为中国内地首个入围电影节最佳男演员的95后艺人；同年12月，与蒋中炜随梅峰导演携合作影片《不成问题的问题》，出席央视六套新年特别节目“电影之夜”。
2017年1月，梁霆炜与徐小晰、李健仁等联袂主演由翁鸿达执导的犯罪题材电影《电击七日》，在片中饰演沉迷网络的男主高飞；
2月，在陈翔、郭晓婷等人主演的古装自制剧《寻秦记》中饰演“开心果”荆俊。后主演青葱计划创投作品电影《十七岁半》，饰演善良可爱的富二代梁璨。
11月，主演电视剧《姥姥的饺子馆》饰演女主（陈小艺饰）最小的儿子“方达”。“方达”一角本身的性格也与梁霆炜十分相似，坚韧内敛，不张扬，也十分执着有韧劲，凡事都会尽力做到最好。
2018年，搭档硬汉樊少皇主演军事动作片《特种使命之怒海潜龙》饰演片中男一，蛟龙突击队王牌队员“唐巍”。
