1998年，在電視動畫《時空偵探》出演女主角大和空，由此成為水樹奈奈首次在電視動畫中聲優出演。同年，隨著PS遊戲《NO?L～La neige～》的發行，水樹以門倉千紗都的名義推出了首張角色單曲《Girl's Age》，隨後再以“門倉千紗都×NANA”的名義發行了個人第壹張迷妳專輯《NO?L ～La neige～départ chisato×nana》[23] 。
2001年4月，為動畫《妹妹公主》中性格內向的亞裏亞配音[24-25] 。
2002年8月，出演奇幻勵誌動畫《彩夢芭蕾》，為“露羽”壹角配音[26] 。10月，水樹奈奈先是在動畫《妹妹公主～Re Pure～》中繼續飾演亞裏亞壹角，再於熱血忍者動畫《火影忍者》中配音木葉名門日向壹族宗家的嫡長女日向雛田[27] 。11月，在電視動畫《七人之奈奈》飾演主角鈴本奈奈[4] 。同時，水樹奈奈與秋田圓、淺木舞、中原麻衣、名冢佳織、福井裕佳梨、桃森梅結成聲優組合“nana×nana”並演唱該動畫的主題曲[28] 。
2003年10月，為動畫《F-ZERO Falcon傳說》中的主角露西·利巴迪配音[29] 。同月，在奇幻動畫《瓶詰妖精》中聲音出演了活潑天真的藍瓶精靈“庫露露”[30] 。
2004年4月，在奇幻冒險動畫《仙境傳說》中為可愛熱心的小服侍“尤法”配音[31] 。7月，出演忍者動畫《酷伊忍者傳》，在動畫中為有著天然呆性格的“忍”壹角配音[32] 。10月，在魔法少女動畫《魔法少女奈葉》中飾演菲特·泰斯特羅莎·哈拉溫[5] 。
2005年4月，在校園戀愛動畫《草莓100%》中出演天真活潑的“南戶唯”壹角。7月，在動畫電影《鋼之煉金術師：香巴拉的征服者》中出演“拉斯”壹角，這是水樹奈奈首次在劇場版中出演主角。10月，再度為魔法少女動畫《魔法少女奈葉A's》中菲特·泰斯特羅莎·哈拉溫配音[33] 。10月31日，出席富士電視臺的音樂節目《HEY!HEY!HEY!》的“RANK IN”環節，首次以聲優的身份在電視臺黃金時段的節目登場。
2006年4月，出演動畫《魔女之刃》中殘暴的“瑪莉亞”壹角[34] 。7月，在校園情感動畫《嬌蠻之吻》中飾演責任感強又十分認真的“近衛素奈緒”[35] 。
2007年3月3日，憑借歌曲《Justice to Believe》獲得第1回聲優獎歌唱獎[36] 。4月，出演《魔法少女奈葉StrikerS》中“菲特·泰斯特羅莎·哈拉溫”壹角[37] 。10月，為動畫《南家三姐妹》中“南冬馬”壹角配音[38] 。同月，在動畫《守護甜心！》中出演傲嬌好強的女主角“月詠歌唄”，並因此於12月19日以該角色的名義發行單曲《迷宮バタフライ》[39] 。
2008年1月，繼續出演校園動畫《南家三姐妹～再來壹碗～》中的“南冬馬”壹角[40] 。4月，在動畫《惡作劇之吻》中飾演開朗樂觀的女主角“相原琴子”[41] 。10月11日，參演舞臺劇《疾風奈奈》並演唱了兩首演歌。12月，出演系列劇場版《空之境界》中第六部《空之境界：第六章忘卻錄音》，並在該劇場版中主演“黃路美沙夜”壹角[42] 。
2009年1月，水樹奈奈先出演動畫《白色相簿》中表面強硬冷漠但內心溫柔善良的“緒方理奈”壹角[43] ，再在動畫《南家三姐妹歡迎回家》繼續出演“南冬馬”壹角[44] ，另外她又在動畫《背騎少女》中出演文靜內向、內心堅強的“尾形琳”壹角[45] 。3月，主演劇場版《Keroro軍曹4：逆襲的龍勇士》，為“希恩”配音[6] 。10月，在懸疑動畫《DARKER THAN BLACK 流星之雙子》中出演極富正義感的“霧原未咲”壹角[46] 。10月22日，在微軟操作系統Windows 7 Ultimate DIY Editon日本版加入的原創的系統OS娘“窗邊七美”及其配套系統主題中擔任窗邊七美的聲優[47] 。
2010年2月，出演魔法格鬥動畫《HeartCatch光之美少女！》中直率的“花咲蕾”壹角[48-49] 。3月6日，獲得第4回聲優獎富山敬賞，成為首位獲得該獎的女性聲優[7] 。5月8日，獲得由動畫雜誌《Animage》讀者投票評選出的第32屆動畫格林披治聲優部門第二名。10月，參演奇幻動畫《信蜂REVERSE》，飾演“希露貝特·史威特”壹角[50] 。
2011年4月，出演動畫《美食的俘虜》中的新聞女主播“蒂娜”[51] 。7月，在恐怖奇幻動作動畫《BLOOD-C》中出演女主角“更衣小夜”[52] 。
2012年1月，在機戰動畫《戰姬絕唱Symphogear》出演“雙翼”成員之壹中堅強認真的“風鳴翼”[53] 。
2013年1月，出演校園青春動畫《南家三姐妹我回來了》，第四度為“南冬馬”壹角配音[54] 。4月，出演機戰動畫《革命機valvrave》中的多爾西亞軍少佐“克琳希德”[55] 。7月，在機戰動畫《戰姬絕唱Symphogear G》中再度出演“風鳴翼”[8] 。
2014年2月，出演遊戲《超級女主角戰記》中的“風鳴翼”壹角[56] 。7月，在歷史穿越動畫《信長協奏曲》中飾演天性純良且我行我素的信長之妻“歸蝶”[57] 。10月，出演奇幻動畫《CROSS ANGE 天使與龍的輪舞》中的“安琪”壹角[58] 。
2015年4月，再度參演魔法少女動畫《魔法少女奈葉vivid》，為“菲特·T·哈洛溫”壹角配音[59] 。9月，在機戰動畫《戰姬絕唱Symphogear GX》中第三度出演“風鳴翼”[60] 。
2016年4月，參演動畫《巴哈姆特之怒 Manaria Friends》，為“漢娜”壹角配音[61]
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