1997年6月，水树奈奈通过了PS游戏《NOëL～La neige～》的声优选拔，出演该游戏三位女主角之一的门仓千纱都，由此正式以艺名水树奈奈声优出道[20] 。
1998年，在电视动画《时空侦探》出演女主角大和空，由此成为水树奈奈首次在电视动画中声优出演。同年，随着PS游戏《NOëL～La neige～》的发行，水树以门仓千纱都的名义推出了首张角色单曲《Girl's Age》，随后再以“门仓千纱都×NANA”的名义发行了个人第一张迷你专辑《NOëL ～La neige～départ chisato×nana》[23] 。
2001年4月，为动画《妹妹公主》中性格内向的亚里亚配音[24-25] 。
2002年8月，出演奇幻励志动画《彩梦芭蕾》，为“露羽”一角配音[26] 。10月，水树奈奈先是在动画《妹妹公主～Re Pure～》中继续饰演亚里亚一角，再于热血忍者动画《火影忍者》中配音木叶名门日向一族宗家的嫡长女日向雏田[27] 。11月，在电视动画《七人之奈奈》饰演主角铃本奈奈[4] 。同时，水树奈奈与秋田圆、浅木舞、中原麻衣、名冢佳织、福井裕佳梨、桃森梅结成声优组合“nana×nana”并演唱该动画的主题曲[28] 。
2003年10月，为动画《F-ZERO Falcon传说》中的主角露西·利巴迪配音[29] 。同月，在奇幻动画《瓶诘妖精》中声音出演了活泼天真的蓝瓶精灵“库露露”[30] 。
2004年4月，在奇幻冒险动画《仙境传说》中为可爱热心的小服侍“尤法”配音[31] 。7月，出演忍者动画《酷伊忍者传》，在动画中为有着天然呆性格的“忍”一角配音[32] 。10月，在魔法少女动画《魔法少女奈叶》中饰演菲特·泰斯特罗莎·哈拉温[5] 。
2005年4月，在校园恋爱动画《草莓100%》中出演天真活泼的“南户唯”一角。7月，在动画电影《钢之炼金术师：香巴拉的征服者》中出演“拉斯”一角，这是水树奈奈首次在剧场版中出演主角。10月，再度为魔法少女动画《魔法少女奈叶A's》中菲特·泰斯特罗莎·哈拉温配音[33] 。10月31日，出席富士电视台的音乐节目《HEY!HEY!HEY!》的“RANK IN”环节，首次以声优的身份在电视台黄金时段的节目登场。
2006年4月，出演动画《魔女之刃》中残暴的“玛莉亚”一角[34] 。7月，在校园情感动画《娇蛮之吻》中饰演责任感强又十分认真的“近卫素奈绪”[35] 。
2007年3月3日，凭借歌曲《Justice to Believe》获得第1回声优奖歌唱奖[36] 。4月，出演《魔法少女奈叶StrikerS》中“菲特·泰斯特罗莎·哈拉温”一角[37] 。10月，为动画《南家三姐妹》中“南冬马”一角配音[38] 。同月，在动画《守护甜心！》中出演傲娇好强的女主角“月咏歌呗”，并因此于12月19日以该角色的名义发行单曲《迷宫バタフライ》[39] 。
2008年1月，继续出演校园动画《南家三姐妹～再来一碗～》中的“南冬马”一角[40] 。4月，在动画《恶作剧之吻》中饰演开朗乐观的女主角“相原琴子”[41] 。10月11日，参演舞台剧《疾风奈奈》并演唱了两首演歌。12月，出演系列剧场版《空之境界》中第六部《空之境界：第六章忘却录音》，并在该剧场版中主演“黄路美沙夜”一角[42] 。
2009年1月，水树奈奈先出演动画《白色相簿》中表面强硬冷漠但内心温柔善良的“绪方理奈”一角[43] ，再在动画《南家三姐妹欢迎回家》继续出演“南冬马”一角[44] ，另外她又在动画《背骑少女》中出演文静内向、内心坚强的“尾形琳”一角[45] 。3月，主演剧场版《Keroro军曹4：逆袭的龙勇士》，为“希恩”配音[6] 。10月，在悬疑动画《DARKER THAN BLACK 流星之双子》中出演极富正义感的“雾原未咲”一角[46] 。10月22日，在微软操作系统Windows 7 Ultimate DIY Editon日本版加入的原创的系统OS娘“窗边七美”及其配套系统主题中担任窗边七美的声优[47] 。
2010年2月，出演魔法格斗动画《HeartCatch光之美少女！》中直率的“花咲蕾”一角[48-49] 。3月6日，获得第4回声优奖富山敬赏，成为首位获得该奖的女性声优[7] 。5月8日，获得由动画杂志《Animage》读者投票评选出的第32届动画格林披治声优部门第二名。10月，参演奇幻动画《信蜂REVERSE》，饰演“希露贝特·史威特”一角[50] 。
2011年4月，出演动画《美食的俘虏》中的新闻女主播“蒂娜”[51] 。7月，在恐怖奇幻动作动画《BLOOD-C》中出演女主角“更衣小夜”[52] 。
2012年1月，在机战动画《战姬绝唱Symphogear》出演“双翼”成员之一中坚强认真的“风鸣翼”[53] 。
2013年1月，出演校园青春动画《南家三姐妹我回来了》，第四度为“南冬马”一角配音[54] 。4月，出演机战动画《革命机valvrave》中的多尔西亚军少佐“克琳希德”[55] 。7月，在机战动画《战姬绝唱Symphogear G》中再度出演“风鸣翼”[8] 。
2014年2月，出演游戏《超级女主角战记》中的“风鸣翼”一角[56] 。7月，在历史穿越动画《信长协奏曲》中饰演天性纯良且我行我素的信长之妻“归蝶”[57] 。10月，出演奇幻动画《CROSS ANGE 天使与龙的轮舞》中的“安琪”一角[58] 。
2015年4月，再度参演魔法少女动画《魔法少女奈叶vivid》，为“菲特·T·哈洛温”一角配音[59] 。9月，在机战动画《战姬绝唱Symphogear GX》中第三度出演“风鸣翼”[60] 。
2016年4月，参演动画《巴哈姆特之怒 Manaria Friends》，为“汉娜”一角配音[61]
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