2011年李梦参演**实的同名小说而改编的电影《白鹿原》，出演“白灵”，同年，并担任2011年西安世园会形象大使。

2012年李梦参演由陈可辛监制、刘伟强执导的热血青春型古装武侠3D电影《血滴子》，饰演“白兰”；并与刘烨、黄渤、张涵予三大影帝共同出演首部电视剧《火线三兄弟》，出演的仗义直言，敢爱敢恨的千金大小姐“梁雅优”。

2013年由著名导演贾樟柯执导的电影《天注定》上映，影片中，李梦饰演夜总会小姐“莲蓉”，并与贾樟柯导演上演了多场吸*眼球的对手戏；同年，并与“影帝”廖凡共同出演年代传奇电视剧《海上孟府》。同年，李梦在国内首部以摇滚为题材的青春片《摇滚英雄》中，出演影后“李爱”，该角色被媒体称作为“王菲的缩影”。电影《老腔》中，李梦首次挑梁，出演女一号，善良坚贞的“小凤”，身着红色棉袄，挽起发髻，额前的美人髻极具民国时期女性的内敛风韵。

2014年在电影《上海王》中，出演传奇女子“小月桂”，这个由多位实力女演员曾经诠释过的角色，对于90后的李梦来说无疑是一种挑战。在由香港著名电影人林炳坤先生监制，改编于路内同名小说，以工厂爱情为题材的电影《少年巴比伦》中，再次挑大梁担任女一号，出演70年代美厂医“白蓝”，为观众展示一段欢喜、感伤、荒芜和诗意的爱情启蒙故事。在李玉执导，范冰冰、韩庚主演的电影《万物生长》中，出演“小满”一角，与韩庚温情上演了一段如梦幻般美好的初恋故事。

2015年，在刘江执导的电视剧《黎明决战》中，李梦与刘诗诗共同出演抗战时期，血浓于水，惊心动魄的“姐妹情”。6月电视剧《白鹿原》开机，继电影版之后被**实钦点主演女主角白灵 。9月30日**电影《解救吾先生》全国公映，李梦饰演忧郁叛逆的绑匪情人“晨晨” 。

2016年7月8日，参演的青春片《致青春·原来你还在这里》内地上映，在片中饰演执着乐观的清新女孩莫郁华；随后，参演青春悬疑片《夏天十九岁的肖像》，饰演为爱痴狂的少女朱莉，影片于2017年5月27日在中国大陆上映。

2017年1月13日，与董子健合作主演、改编于路内的同名小说《少年巴比伦》内地上映，在片中饰演70年代知性厂医白蓝，并获得了第23届北京大学生电影节佳女演员奖的提名；2月17日，参演胡雪桦执导的剧情影片《上海王》上映，在片中饰演忠于自我，坚贞不屈少女时期的筱月桂；3月3日，参演的年代剧《黎明决战》播出，在剧中饰演女主宋红菱的妹妹，二小姐宋玉菡；3月6日，主演由导演贾樟柯监制，华裔青年导演Cathy Yan阎羽茜编剧执导，邬君梅联合制片并主演的剧情片《海上浮城》。10月26日，第二届金鹤奖颁奖典礼在东京举行。东京电影节中国电影周部分，李梦凭借《上海王》获得佳新人演员奖。

2018年1月18日，李梦与王凯、马天宇、王大陆主演的电影《英雄本色2018》上映并饰演剧中大哥周凯的女人美琳；1月28日，由贾樟柯监制、李梦主演的电影《海上浮城》斩获第38届圣丹斯电影节“集体表演奖”，是唯一入围且获奖的中国电影，李梦成为首位在圣丹斯电影节获奖的90后中国女演员。7月5日，参演电影《那个我亲爱的陌生人》。

2016年6月19日，第19届上海国际电影节在上海大剧院盛大闭幕，李梦首发亮相。

虽然是90后，首次踏上国际电影节，李梦凭借其清新大气、踏实自信以及厚唇微笑给中外媒体留下了深刻印象，一点都不怯场，表现自如，心理素质很好；在电影《摇滚英雄》中李梦饰演女主角王菲，一个善良美好坚毅的女子，在面对背叛，李梦把她心理的挣扎、无助、失望、荒凉、痛苦演绎的颇为到位。如果用颜色来形容李梦，她似洋溢着热情而神秘的红色，在李梦身上有着超出她年龄的悟性与坚韧。（娱乐圈评价）