從小即以上網、看動畫為最大興趣的渡邊，性格內向，極少與同學交流。因在網路上看到AKB48的相關表演影片而喜歡上此團體，成為AKB48的歌迷[6]。母親最初對於女兒提出想進入演藝圈而感到為難，不過想到以此為契機，女兒往外發展說不定會成為活潑的孩子，最終贊成渡邊參與AKB48的徵選[7]。2006年2月19日，報名參加「第2期AKB48追加成員徵選」，在最終審查階段落選[8]。12月3日，再次報名參加「第3期AKB48追加成員徵選」合格[9]。參加徵選的理由是「因為很喜歡AKB48，所以想加入」[10]，審査會的演唱的曲目是AKB48的《櫻花花瓣》[11]。12月9日，渡邊在「AKB48 1st ANNIVERSARY LIVE 〜勢ぞろいだぜ!『A』『K』『B』!〜」中以Team B成員的身分初次向媒體露面[12][13]。
2007年4月8日，於AKB48剧場的「AKB48 Team B 1st Stage「青春女孩」公演」中正式於劇場出道[14][15]。7月18日發行的AKB48第4張單曲《BINGO!》，首次成為單曲選拔成員（即成為單曲主要演唱成員）[16][17]。9月22日，渡邊與Team B其他成員前往中國北京市參加在中國藝術研究院舉辦的「日中文化人懇談會2007—開放的學院in北京」，並進行首場海外公演。12月31日，以AKB48成員身分首次登上「NHK紅白歌合戰」[18]。
2008年6月，渡邊加入尾木製作[19]。10月，與平嶋夏海、仲川遥香、多田愛佳一起組成AKB48子團「走廊奔跑隊」[20]。2009年7月8日，在「AKB第一屆選拔總選舉」中獲得第4位[21]。15歲以下的成員中，進入前五名中的只有渡邊，即使包含進入前十名的也只有松井珠理奈（SKE48中2010年度、2012年度）與渡邊兩人。
2010年6月9日，於「AKB第二屆選拔總選舉」中獲得第5位[22]。9月9日，渡邊首次以漫畫家的身分出道。在知名漫畫週刊《週刊YOUNG JUMP》（集英社）2010年41號中，開始連載個人漫畫「まゆゆ童話劇場 只愛二次元」（まゆゆ童話劇場 2次元しか愛せない）[23]。9月15日至16日，參加尾木製作舉辦的第一屆Team Ogi祭。
2011年5月13日，第一本寫真集《MAYUYU》（まゆゆ）發行，以4.5萬銷量取得Oricon公信榜書籍週榜寫真集部門第一位，同時也以女性個人寫真集最高位的成績取得綜合部門第三位[24]。6月9日間舉行的「AKB第三屆選拔總選舉」中連續兩年獲得第5位，連續3年進入選拔組[25][26]。同期間舉行的「AKB48香港選拔總選舉」中則獲得第2位，僅次於同團前輩前田敦子[27]。6月12日，參加在臺灣臺北市西門町舉辦的AKB48臺灣專門店開業剪綵儀式，並舉行首次臺灣握手會，翌日加開一場[28]；9月24日，參加在中國上海外國語大學舉行的免費公演；10月9日，参加在越南河內舉行的第二屆日越友好音樂祭。10月22日，在《GIRLS' FACTORY》節目中與淺倉大介一起擔任固定主持人。12月13日，在《AKB0048》聲優公開甄選中合格[29]。
2012年1月13日，初次主演電視劇《欺詐偶像》[30]。2月29日，發行個人首張單曲《怦然心動》，正式以個人身分出道[31]，渡邊亦是第四位以個人身分出道的AKB48成員[32]。3月，自TRY式高等學院（日语：トライ式高等学院）畢業，完成函授制學程[33][34][35]。4月26日，由《AKB0048》聲優選拔成員9名組成新衍生團體「NO NAME」[36]，並演唱此作品片頭曲《關於希望》和片尾曲《夢想不斷重生》[37]。6月，在「AKB第四屆選拔總選舉」中獲得第2位[38][39]，並於同期間舉行的「中國AKB48總選舉2012」中獲得第1位。7月25日，個人第2張單曲《大人彩色糖》發行[40]。8月24日，在「AKB48 in TOKYO DOME ～1830m的夢想～」演唱會第一天中，宣布所屬分隊轉移至Team A[41][42]。11月21日，個人第三張單曲《發光體》發行[43]。
2013年1月22日發行的AKB48第30張單曲《So long!》，首次擔任Center（中心站位成員）[44]。9名成員成為最新成立的宣傳小分隊「Team BS」选拔成员，参与日本NHK-BS（日语：NHK-BS）系列頻道的节目，其他成员分别为大岛优子、高桥南、岛崎遥香、松井珠理奈、松井玲奈、山本彩、渡边美优纪、指原莉乃、田岛芽瑠[45]。6月7日，於「AKB第五屆選拔總選舉」中获得第3位[46][47][48]。7月10日，個人第四張單曲《喇叭練習中》發行[49]。10月1日，在香港舉行握手會。
2014年2月24日，於「AKB48集團大組閣祭」中，宣布所屬分隊由Team A轉移至Team B[50]。4月21日，擔任TBS電視台音樂節目《UTAGE!（日语：UTAGE!）》助理主持人。5月21日發行的AKB48第36張單曲《拉布拉多獵犬》擔任Center，是渡邊自《So long!》以來的一年多後再次擔任[51][52]。6月7日，在「AKB第六屆選拔總選舉」中以159,854票初次奪得第1名，是繼前田敦子、大島優子與指原莉乃後，第四個獲得總選舉冠軍的成員[53]。8月27日發行的AKB48第37張單曲《心意告示牌》，為渡邊連續兩作Center[54]。9月17日，於「AKB48第五屆猜拳大會」中披露AKB48第38張單曲《希望無限》選拔成員名單，此單曲由渡邊與宮脇咲良共同擔任Center[55]。
2015年4月19日，渡邊首次主演的黃金檔電視劇《戰鬥吧！書店女孩（日语：書店ガール#テレビドラマ）》於富士電視網火十時段播出。是繼前田敦子之後，第二位主演黃金檔電視劇的AKB48成員[56][57][58]。6月6日，於「AKB第七屆選拔總選舉」中以165,789的票數不敵HKT48的指原莉乃及同隊成員柏木由紀，獲得第3名，至此皆為總選舉前5名[59][60]。6月10日，個人第5張單曲《相遇的後續》時隔兩年發行ref name="deai"/>，此單曲為《戰鬥吧！書店女孩》的主題曲[61]。
。6月14日，出演紀錄片節目《情熱大陸》，是繼前田敦子、大島優子後出演該節目的AKB48成員[62]。12月26日，富士電視台公佈渡邊麻友將首次出演時代劇《大奧》。與澤尻英龍華共演，於2016年1月22日首播。
2016年6月18日，在“AKB48第八屆選拔總選舉”獲得第2名[63]10月26日，第二本寫真集《不知不覺中》（知らないうちに）發行，以3.7萬銷量獲得Oricon公信榜書籍週榜寫真集部門和綜合部門的第一位[64]。
2017年5月1日，第三度領銜主演的電視連續劇《永別了，江成君（日语：サヨナラ、えなりくん）》於朝日電視台首播。該劇的主角係透過2016年初AKB48與朝日電視台合作的電視劇《AKB戀愛夜 戀工場（日语：AKBラブナイト 恋工場）》當中的演員票選活動選出，得票數第一者可成為朝日電視台2017年春季戲劇的領銜主演，最終由渡邊勝出[65]。6月17日，在“AKB48第49張單曲選拔總選舉”繼上屆再次屈居指原莉乃之後獲得第2名，並在發表得獎感言時宣布年內將從AKB48畢業。渡邊在目前舉辦過9次的AKB48選拔總選舉均有參加、且全部位居前五名，反映出身為AKB48成員所擁有的高人氣[66]。8月14日，於福岡西鐵表演廳舉行的HKT48向日葵組&AKB48 Team B聯合劇場公演上，宣布畢業演唱会日期定於10月31日[67]。10月31日，於家鄉埼玉縣的埼玉超級競技場舉行畢業演唱會「渡邊麻友畢業演唱會～願大家的夢想都能實現～」（渡辺麻友 卒業コンサート〜みんなの夢が叶いますように〜）[68]，並宣布將於12月20日推出首張個人大碟《Best Regards!》[69]。11月22日發行第AKB48第50張單曲《11月的脚链》，為渡邊的畢業單曲，這也是她最後一次擔任Center[70]。12月26日，於AKB48劇場舉辦畢業公演[71][72]。12月31日，渡邊為中心的畢業主打歌《11月的脚链》以91,820票獲得第68回NHK紅白歌合戰企划“由观众所选择的梦之红白SP Medley”票選第1名，在紅白現場演唱此曲後放下麥克風，圓滿完成AKB48身分最後一次演出[73]。
2018年2月17日，在個人大碟《Best Regards!》開賣紀念演唱會中，發表於3月1日開設官方粉絲俱樂部，名稱為「W3M∞〈ダブミー〉」[74]。從5月至6月間，主演日本版的艾蜜莉的異想世界音樂劇「アメリ」。[75]6月 代言騰訊遊戲發行的日系回合手遊「魔力寶貝手機版」。6月22日，宣布將主演富士電視網連續劇「直到雨停的那一天」，於2018年8月4日首播。這是自AKB48畢業後，首次出演並擔任電視劇的主角[76][77][78]。
2019年3月1日，首次出演NHK晨間劇「夏空」[79][80]，在6月7日第59集中登場[81][82]。4月28日，在指原莉乃的畢業演唱會中担任开场影像的旁白，并與指原合唱「而且不叫酪梨啦…」，是AKB48畢業後首次登台演唱[83][84]
9月30日，官方粉絲俱樂部營運休止。[85]
2020年6月1日，所屬事務所「尾木製作」宣布渡邊麻友由於健康問題，即日起從演藝圈引退，她与事务所的合约已于5月31日结束[86][87][88]。渡邊也在Twitter上發文感謝粉絲
[89]。6月2日，關閉個人官方網站和Twitter、Instagram帳號[90]。