2010年，14歲的小松菜奈以模特身份出道並開始在藝能界活動；同年，小松菜奈還出演了個人首部電影作品《肥皂泡》。此後兩年，小松菜奈主要擔任各時尚雜誌的平面模特 。2013年，小松菜奈與宇野祥平搭檔主演了劇情短片《我回來了》。

2014年，小松菜奈又與役所廣司、中谷美紀、小田切讓聯袂主演了現代懸疑劇情片《渴望》，並在片中飾演了時而清純又時而性感的詭異少女藤島加奈子 ，此片則入圍了第39屆多倫多國際電影節“先鋒單元” ，而小松菜奈個人也憑藉在片中的不俗表現獲得了第69屆每日映畫評選會最佳新人獎 ，以及第38屆日本電影學院獎最佳新演員獎 ；10月11日，與山下智久、水川麻美、小瀧望與共同主演的浪漫愛情電影《近距離戀愛》在日本上映，並在片中飾演了性格沉穩冷靜且十八般武藝樣樣全能的天才高中生樞木潤希 ，小松菜奈則憑藉此角色開始在演藝方面嶄露頭角；同年，小松菜奈還與佐藤健、神木隆之介合作主演了根據同名漫畫熱血青春勵志片《食夢者》，小松菜奈則在中飾演了個性單純卻意志堅定的女主角亞豆美保 ；此外，小松菜奈還主演了都市勵志劇《夢女孩》 。

2015年，小松菜奈與眾多藝人共同出演了馬丁·斯科塞斯執導的歷史劇情片《沉默》。同年與東出昌大、菅田將暉等人合作了漫改喜劇電影《英雄迷的生活》，並在劇中飾演擁有超高情報收集能力的高中女生薰 。參演電影《毀滅寶貝》，化身為妖豔的陪酒女郎 。

2016年，2月2日電影《我才不會對黑崎君說的話言聽計從》完成，小松菜奈飾演女一號赤羽由宇 。主演由同名漫畫改編的青春戀愛電影《溺水小刀》，秋季上映 。主演根據人氣小說改編的電影《明日的我與昨日的你約會》，12月上映 。