武井首次单独登上《Seventeen》的封面。2010年11月25日，获得第39回最佳衣着奖，是史上最年轻的得奖者，并在该年开始担任如资生堂旗下TSUBAKI、可口可乐等知名厂商代言人，在数年中累计广告合约皆为日本艺人中排名前五。2011年1月于富士电视台月九时段播放的电视剧《教我爱的一切》，武井从800人试镜中脱颖而出，首次在月九中演出关键角色，开始广为人知，以此剧获得第68回日剧学院赏最佳女配角。同年4月，主演朝日电视台的电视剧《明日香高工进行曲》，为初次主演作品。2011年12月，以单曲《恋爱