2007年，樱庭奈奈美被星探发掘加入演艺圈，随后成为甘力事务所旗下艺人；同年，参演了个人演艺生涯中的首部作品《天堂的公共汽车》。

2008年，樱庭奈奈美通过参演了漫改侦探剧《少女侦探之奇怪事件》以演员身份正式出道；6月，首次主演了电视剧《东京少女樱庭奈奈美》；5月，参演的电影《体育馆宝贝》在日本上映；随后还出演了成海璃子主演的历史战争片《少女特工队》；7月，樱庭奈奈美在日本美少女大赛“杂志小姐(Miss Magazine)2008”，从17,000选手中脱颖而出获得总冠军；10月，樱庭奈奈美担任了TBS电视台的综艺节目《开运音乐堂》的主持；同年，还分别出演了电视剧版和电影版的《红线》，并在剧中都饰演了同一角色中川沙良。

2009年3月，樱庭奈奈美主演了日剧SP《鬼镇之花》；6月，主演了NHK电视台出品的热血校园剧《我要上太空》；7月，为细田守执导的动画电影《夏日大作战》中的主角篠原夏希配音，这也是其首次挑战声优工作；10月，结成女子音乐组合bump.y。

2010年，出演了成海璃子主演的青春励志电影《书道女孩！！我们的甲子园》，并凭借在电影里的不俗表现获得了第84届日本电影旬报赏新人女演员赏和第35届报知映画赏新人赏；12月，樱庭奈奈美加盟了役所广司主演的时代电影《最后的忠臣藏》，在剧中饰演了主人公大石内藏助的私生女可音，并凭借这部电影获得了获得第35回日本电影学院赏新人演员赏、第20届日本评论家电影大奖最佳新人奖和第53届日本电影蓝丝带赏最佳新人赏等多个殊荣。

2011年，樱庭奈奈美出版了个人写真集《阶梯 N↑UP》；接着与中村苍一起主演了喜剧电影《荒唐男荒唐女》；然后还参演了濑户康史主演的热血青春片《心动舞台》；10月，参演的电影《来自天国的加油声》在日本上映；然后还出演了西岛秀俊主演的爱情喜剧《我和明星的99日》。

2012年，樱庭奈奈美参与了3D动画片《.hack电影版》的声优工作，并为主人公“有城空”配音；接着出演了佐藤隆太主演的推理系日剧《妄想搜查》；10月，樱庭奈奈美出演了音乐励志片《高中歌剧团☆男子组》和主演了NHK电视台出品的日剧SP《Sweets! 微甘的青春》。

2013年，樱庭奈奈美出演了相叶雅纪主演的日系医疗剧《Last Hope》；6月，出演了樱井翔主演的推理系电影《推理要在晚餐后》的电影版，并在剧中饰演了船上的美女歌手藤堂凛子；7月12日，主演的悬疑剧情片《Limit》在日本播出，并在剧中饰演了从悬崖滚下的巴士事故中的幸存女子高中生今野水希；7月24日，所在的团体组合bump.y在东京铁塔内举行了新单曲《SAVAGE HEAVEN》的热卖祈愿；8月，参演了松下奈绪主演的日剧SP《二十四只眼睛》；接着还加盟了堀北真希主演的航空系日剧《飞行员小姐》；10月，主演的恐怖惊悚电影《人狼游戏》在日本上映，在剧中饰演了女高生仁科爱梨。2014年，出演了深田恭子主演的温情励志片《SILENT POOR》；4月，樱庭奈奈美所在的组合bump.y宣布全员毕业，为了能够专心致力于女演员的事业。

2015年，樱庭奈奈美参演了中村雅俊主演的悬疑日剧《风之峠：银汉赋》；8月，与三浦春马、水原希子、石原里美等人联合出演的漫改动作电影《进击的巨人真人版》在日本上映，并在片中扮演了有着出色的射箭技术和医术的女孩萨莎；随后，参演的网络剧《进击的巨人：反击的狼烟》在日本播出。

2016年4月，出演石田百合子主演的悬疑日剧《飞机云：罪与恋》；6月，接拍中国导演吴宇森执导的悬疑电影《追捕》，该片于2018年春天上映；9月17日，与韩国人气组合TEEN TOP成员李秉乔联袂主演的日韩合拍爱情电影《悬崖上的小号》在日本首映；同年，樱庭奈奈美还参演了台湾电视剧《恋爱沙尘暴》，饰演男主角的婚外情对象；同年，参演EXO冬季专辑《For Life》MV的女主。

2017年3月，确定出演来年1月放送的NHK大河剧《西乡殿》，饰演主角西乡隆盛的妹妹西乡琴。

2018年：加盟有村架纯和国村隼联袂合作的电影《家族的色彩》。出演电影《烤肉Dragon》饰演三女儿美花。

2019年，参演4月22日开播的剧集《小说王》。

个人生活经历

樱庭奈奈美有一个姐姐和一个弟弟；兴趣爱好是弹钢琴（业余爱好）、打网球、排球（专业）；喜欢的演艺人员有泽尻绘里香、长泽雅美、相武纱季；憧憬的女演员是长泽雅美。