中村伦也高一时被TOPCOAT的星探发掘进入公司，随后在TOPCOAT所属的Artist☆Artist下学习演技。2005年，以ダンカン执导的喜剧犯罪电影《七人的吊唁》出道，在片中扮演受父母虐待的河原润平；同年，在NHK晨间剧《风中的小遥》中饰演女主角水野遥的表弟神崎由纪夫。2006年，出演高濑久男、板垣恭一执导的舞台剧《黄昏》，在剧中扮演主人公的外孙“比利”一角

2007年10月13日，其主演的温情科幻剧《刺猬男生》开播，在剧中扮演刺猬系男生耳田ハリ彦；同年，出演蜷川幸雄执导、根据莎士比亚原著改编的舞台剧《爱的徒劳》，在剧中反串扮演法国公主的侍女凯瑟琳。2008年，在蜷川幸雄导演的舞台剧《霸王别姬》中扮演程蝶衣的弟子“小四”。

2010年4月23日，其出演的喜剧电视剧《不良仔与眼镜妹》开播，在剧中他饰演品川大地的同班同学松山启介。7月13日，由佐佐木希主演的运动题材电视剧《相扑女孩》开播，他在剧中出演高中相扑部成员柳本咏介。

2012年10月6日，其出演的悬疑电视剧《高校入试》开播，他扮演了因在网络上受中伤诽谤而休学的高中生田边光一。同年，在日本版音乐剧《RENT》中饰演原人气摇滚乐队的主唱罗杰·大卫斯。

2013年5月18日，加濑聪执导的青春题材电影《SPINNINGKITE》上映，其在片中出演主人公、住在小城镇向往东京的青年阿纯，这是他首次担任电影主演。同年，在蜷川幸雄导演的莎士比亚原著舞台剧《威尼斯商人》中，反串饰演贵族小姐鲍西娅。

2014年1月5日，NHK大河剧《军师官兵卫》开播，其在剧中饰演织田信长之子织田信忠。7月18日，福田雄一执导的喜剧《青色火焰》开播，他在剧中扮演了主人公的同学、艺大学生赤井孝美。8月29日，其主演的舞台剧《历史系男生》开始上演，这是他第一次主演舞台剧，凭借在该剧中扮演的年轻老师一角，他获得第22届读卖演技大赏优秀男演员奖。10月15日，富士台的《FirstClass2》开播，在这部表现时尚界竞争的剧集中，他饰演了助理设计师冴木大五郎。

2015年4月26日，山田孝之主演的喜剧《REPLAY&DESTROY》开播，在剧中他出演主人公横山的中学同学安部寿。5月13日，喜剧电影《屌丝骑士》上映，在片中他饰演在“女尊男卑”的大小姐学校中与自治团体展开激烈作战的主人公诚豪介。5月25日，主演的神户电视台爱情剧《想ひそめし》播出，出演为女性恋爱支招的神主一角。10月18日，根据池井户润的同名小说改编的电视连续剧《下町火箭》开播，他在剧中饰演帝国重工的青年技术员浅木捷平。12月18日，其主演的舞台剧《荔枝☆光俱乐部》首演，扮演光之俱乐部的统治者Zera。

2016年1月19日，其出演的家庭喜剧《让我叫你一声岳父》开播，他饰演有女装癖的花泽家长子花泽叶里男。3月5日，其主演的剧情电影《星丘车站失物招领》上映，在片中，他扮演的在失物招领处上班的濑生温人从小与母亲失去联系，平静的生活却母亲去世而被打破。

2017年1月8日，出演的悬疑电视剧《女人中的陌生人》开播，在剧中扮演与酒吧老板美智子交往的调酒师圆山俊。3月18日，大友启史执导的将棋题材剧情电影《3月的狮子》在日本公映，其在片中饰演主人公桐山零的前辈三角龙雪。4月7日，悬疑剧《百万日元的女人们》在东京台深夜档开播，他在剧中扮演人气小说家花木柚。7月12日至7月30日，主演由约翰·奥斯本创作的舞台剧《愤怒的回顾》，饰演男主人公——通过勾引朋友的妻子向社会发泄不满的吉米。8月15日，参演的爱情剧《伊藤君AtoE》开播，饰演年轻帅气的人气编剧久住健太郎一角。10月13日，与上田龙也合作出演的悬疑电视剧《新宿SEVEN》开播，扮演实习鉴定师大野健太。10月28日，出演的由生田斗真主演的爱情片《老师！我可以喜欢你吗？》上映，饰演爱慕主人公中岛的关矢正人。

2018年1月26日，朝日台剧集《HOLIDAYLOVE》开播，他在这部悬疑情感剧中饰演了暴力神经质的家暴丈夫井筒渡。4月2日，参演的晨间剧《一半，蓝色》开播，在剧中扮演律的大学同学，女主人公到东京后认识的第一位朋友正人。4月15日，出演的喜剧《岌岌可危酒店！》开播，饰演不务正业、态度消极的总厨师长江口龙二。5月12日，他出演的由役所广司、松坂桃李主演的黑帮题材电影《孤狼之血》在日本上映，在片中扮演了如狂犬一样的黑道分子永川恭二。10月13日，参演的刑侦剧《刑警与大盗》开播，在剧中演绎一心追捕大盗烟鸦的前精英刑警皇子山隆俊一角。10月26日，波瑠主演的爱情冒险电影《仙踪乐园》上映，他在片中饰演女主的男友小西俊郎。

2019年1月15日，爱情剧《初次恋爱那一天所读的故事》开播，中村伦也在剧中扮演高中班主任老师山下一真。2月7日，获得黄金飞翔大奖新人奖。3月，与麻生久美子共同主演舞台剧《クラッシャー女中》，在该剧中他扮演的是女仆与主人所生的儿子义则。5月31日，参演的家庭题材电影《漫长的告别》在日本上映，在片中扮演芙美的恋人道彦。9月6日，市井昌秀导演的犯罪片《台风家族》上映，在片中他饰演铃木家的小儿子千寻。7月19日，爱情喜剧《凪的新生活》开播，其在剧中扮演女主人公的邻居安良城言，与黑木华、高桥一生一起演绎三角恋，凭借该剧获得第17届CONFiDENCE电视剧奖最佳男配角奖。12月13日，参演的推理电影《尸人庄杀人事件》上映，在片中饰演神红大学推理爱好者协会的会长明智恭介。12月31日，在第70回NHK红白歌会中演唱《阿拉丁》的主题曲《WholeNewWorld》，这是他首次登上红白歌会的舞台。

2020年4月，菅原伸太郎执导的推理剧《美食侦探-明智五郎-》开播，他扮演长相帅气但个性奇怪的主人公、美食家侦探明智五郎，这是他时隔12年半再度主演电视剧，也是其首次主演民营台黄金档剧集。5月，其主演的悬疑电影《星期三消失了》上映，在片中一人饰“七角”，演绎共存于同一个身体中、于每周三交替出现的七种人格。同年，与田中圭合作朝日台特别剧《不和谐音炎之刑警VS冰之检察官》，在剧中扮演沉着冷静的精英检察官唐泽真佐人。

读卖演剧大奖

• 2015第22届最优秀男演员奖历史系男生（提名）
• 2015第22届优秀男演员奖历史系男生（获奖）

黄金飞翔大奖

• 2019新人奖（获奖）

Yahoo！搜索大奖

• 2018演员部门奖（获奖）

CONFiDENCE电视剧奖

• 2019第17届最佳男配角凪的新生活（获奖）

中村伦也虽然外表不算华丽，但是作为实力派演员，他在《HolidayLove》中以“狂放”兼“敏感”的演技，让观众直观而又强烈地感受到了他收放自如的演绎。而在《星丘车站失物招领》中他与菅田将晖的兄弟对戏相当富有张力。他的表演不管是对于情感的细微控制，还是洋洋洒洒的爆发都富于感染力，在不同形象之间的自由切换甚至常常使人忽略了“中村伦也”本人，而用角色名去称呼他。他对待演戏怀着一种不肯让步、切磋琢磨的态度，这让他从无名配角一步一步慢慢得到了大众和业内的认可。