2011年，渡边木实在电影《第八日的蝉》中饰演井上真央扮演的主人公的年幼期角色，凭借该角色获得了第35届日本奥斯卡金像奖新人演员奖，是历史上以最年幼的获奖者。同年还参演了电视剧《水户黄门》、《只要活着就好》、《玫瑰色的圣战》。

2012年，渡边木实参演了泷本美织主演的犯罪推理日剧《完美的蓝》第七话。12月，出演了人堺雅人主演的电影《大奥永远右卫门佐·纲吉篇》，并在剧中饰演了松姬一角。

2013年，渡边木实出演了北乃绮主演的日剧SP《Unfair2013SP双重定义YesorNo？》。11月，出演了村上信五主演的校园喜剧《喷嚏大魔怪》。

2014年，渡边木实与芦田爱菜、铃木梨央共同出演了社会性话题争议之作《明天妈妈不在》，并在中饰演波比一角。4月，出演了泷藤贤一主演的深夜剧《我的绅士时尚》。8月，出演了波瑠主演的灵异悬疑剧《怪谈：三岛屋奇异百物语》。10月，渡边参演了山下智久主演的日剧SP《心理学家成海朔的挑战：少女为何必须失忆？》。11月还出演了吹石一惠主演的温馨家庭剧《妈妈和爸爸活着的理由》，在剧中饰演女主的女儿吉冈亜衣。

2015年，渡边木实出演了向井理主演的电视剧《永远的0》。2月，出演了相武纱季主演的电视剧《玻璃芦苇》，紧接着她又参演了NHK电视台晨间剧的第93作《小希》。6月，参演的科幻动作片《流浪者年代记》在日本上映。