2015年8月13日，与白百何、吴彦祖联袂主演的励志喜剧片《滚蛋吧！肿瘤君》上映，李媛在片中饰演熊顿的同居病友、性格冷酷的时尚女模特夏梦。凭借该片李媛提名第33届大众电影百花奖最佳女配角，并获得第20届华鼎奖最佳女配角奖；同年，在时尚星秀年度星秀人物盛典的晚会上获得时尚星秀年度人物盛典最具潜力女演员奖。

2016年2月14日，与杜江、薛凯琪、余心恬合作主演的都市喜剧电影《高跟鞋先生》上映，她在片中饰演帅气的剑道教练Sammi；5月23日，出演的古装玄幻剧《仙剑云之凡》在湖南卫视开播，其在剧中饰演江湖侠女林未央；12月2日，与大卫·贝尔、陈赫、肖央等人联袂出演的动作喜剧电影《超级快递》上映，其在片中饰演干练直爽的元气少女娜娜。

2017年7月19日，主演的古装武侠电影《绣春刀Ⅱ：修罗战场》上映，李媛在片中饰演丁泰的师妹丁翀；10月13日，主演的爱情喜剧片《情遇曼哈顿》上映，她在片中饰演性格火辣仗义的设计师方虹；10月20日上映的《蝴蝶公墓》中，客串出演了女主角舞蹈家尚小蝶的经纪人。

2018年8月3日，与韩庚、凤小岳、山下智久联合主演的动作电影《解码游戏》上映，李媛在片中饰演美貌与英气兼备的杀手苏仪。

2019年3月4日，与施诗、王雨等联袂主演的都市刑侦剧《冷案》播出，李媛在剧中饰演冷案小组的领军人物罗英玮；6月27日，与雷佳音、易烊千玺共同主演的古装悬疑剧《长安十二时辰》播出，其在剧中饰演性格乖戾、出手狠辣的大唐刺客鱼肠，凭借这一角色，李媛再次给观众留下了深刻的印象；8月23日，出演的悬疑犯罪片《保持沉默》上映，其在片中饰演辩护律师端木兰的助理曲波；同年，她还出演了军事动作片《中国兵王·绝密任务》；4月20日，在优酷、爱奇艺、腾讯全网首播的《爱上你治愈我》中，李媛有份客串出演。

2021年1月11日，李媛与陈奕龙、佟瑞欣合作主演的青春励志电影《大城大楼》开机，其在剧中饰演女主人公安安；12月30日，与朱亚文、杨子姗、贺军翔共同主演的都市情感剧《赖猫的狮子倒影》在爱奇艺播出，其在剧中饰演外刚内柔的拳击馆馆主傅君蝶。

2022年6月2日，其主演的时尚职场剧《买定离手我爱你》播出，在剧中饰演丁亦可的顶头上司、顶尖买手兼出色经理人雷欧；10月30日，特别出演的古装玄幻电影《尘缘不神山》在爱奇艺播出；同年，她还搭档王真儿主演了侦探剧《心灵迷雾》。

2023年3月30日，与靳东、王丽坤等人合作主演的近代谍战剧《无间》在腾讯视频全网独播，江苏卫视、东方卫视同步上星播出；8月18日，与李嘉鑫、袁昊联合主演的刑侦悬疑剧《消失的痕迹》播出，其在剧中饰演执着寻找真相的刑警队长白鹭；8月18日，主演的都市话题剧《装腔启示录》播出，在剧中她饰演王玉玊。

2024年6月21日，参演的电视剧《周五下班后》播出；9月20日，与向佐、郭碧婷等人合作主演的民国功夫片《门前宝地》上映。10月18日，友情出演《江湖夜雨十年灯》。

李媛在励志喜剧片《滚蛋吧！肿瘤君》中的形象颇为百变，无论是古装、现代装造型，还是中性、性感扮相，她都能轻松驾驭。除了造型之外，李媛的演技亦是收放自如，时而气场凛人，时而天真无忌，给观众留下了深刻印象。（新浪娱乐评）

无论是独闯时尚圈，还是转战影视圈，李媛始终保持着北京女孩的直爽和倔强。虽非表演科班出身，但她的洒脱气质和表演天赋却被业内人士看好，从影版《奋斗》走入观众视线，到《时尚女编辑》演技获得肯定，再到《钱多多炼爱记》爆发喜剧天赋，展现了其在表演方面的可塑性。（搜狐娱乐评）