中村伦也高一时被TOP COAT的星探发掘进入公司，随后在TOP COAT所属的Artist☆Artist下学习演技。2005年中村伦也以电影《七人的弔唁》出道，同年在NHK晨间剧《风中的小遥》中饰演神崎由纪夫。2006年首次出演舞台剧《黄昏》。2007年出演电视剧《刺猬男生》及莎士比亚原着的舞台剧《爱的徒劳》。2008年出演蜷川幸雄导演舞台剧《霸王别姬》。2010年在电视剧《不良仔与眼镜妹》中饰演松山启介，并在《相扑女孩》中饰演柳本咏介。2012年在日本版音乐剧《RENT》中饰演罗杰·大卫斯，并出演电视剧《高校入试》。2013年主演电影《SPINNING KITE》，并在蜷川幸雄导演的莎士比亚原着舞台剧《威尼斯商人》中饰演鲍西娅。

2014年在NHK大河剧《军师官兵卫》中饰演织田信忠，在《青色火焰》中饰演赤井孝美，在《First Class 2》中饰演冴木大五郎；同年主演舞台剧《历史系男生》，并凭藉此剧获得第22届读卖演技大赏最佳男演员奖。

2015年主演电影《屌丝骑士》，在电视剧《REPLAY & DESTROY》中饰演安部寿，在《下町火箭》中饰演浅木捷平；并主演舞台剧《荔枝☆光俱乐部》，饰演Zera。

2016年在电视剧《让我叫你一声岳父》中饰演有女装癖的花泽家长子花泽叶里男，在《暗金丑岛君》第三季中饰演神堂大道；同年主演电影《星丘车站失物招领》，饰演从小与母亲失去联繫，某天突然收到母亲去世的讯息的在失物招领处上班的濑生温人。

2017年1月出演电视剧《女人中的陌生人》及《超级上班族左江内》；2月，出演的电影《愚行录》上映，饰演尾形孝之；3月，在电影《3月的狮子》中饰演桐山零的前辈三角龙雪。4月，在电视剧《百万日元的女人们》中饰演花木柚；7月，主演舞台剧《愤怒的回顾》，饰演男主人公吉米；8月，在电视剧《伊藤君A to E》中饰演年轻帅气的人气编剧久住健太郎；9月，出演电影《薙刀社青春日记》；10月，出演电视剧《新宿SEVEN》，扮演实习鉴定师大野健太；10月28日，出演由生田斗真主演的电影《老师！》，在片中饰演关矢正人。

2018年5月12日，出演由役所广司和松坂桃李共同主演的电影《孤狼之血》在日本上映。

2019年1月，出演的爱情剧《初次恋爱那一天所读的故事》开播，在剧中扮演高中班主任老师山下一真。参演电影《尸人庄杀人事件》，饰演明智恭介。同年6月参演电影《颱风家族》。加盟电影《漫长的告别》。