二零零一年，李东海报名参加了第三届SM Auditon青少年Best选拔大会，凭借出色的个人表现，他不仅赢得了最佳外貌赏的荣誉，更一举夺得了备受瞩目的全场大赏。此后，他顺利与韩国SM娱乐有限公司签约，正式开始了长达五年的练习生生涯。在这段系统而严格的训练期间，他凭借自身扎实的专业舞蹈功底，成功入选了公司内代表最高舞蹈水平的A班，接受了更为深入和全面的培养。早在二零零二年，李东海曾与利特等人共同计划，准备以一个名为“Smile”的五人组合形式正式出道，然而由于公司整体战略的调整，这一出道方案最终被暂时搁置了下来。
二零零五年，李东海作为男子演唱组合Super Junior的成员正式开启演艺生涯，其出道舞台是在音乐节目《人气歌谣》中表演组合的首支出道曲《Twins (Knock Out)》。此后，他的演艺活动逐渐拓展至音乐录影带领域，先后受邀出演了宝儿《Key Of Heart》以及少女时代《Kissing You》两支作品的拍摄。二零零七年，由Super Junior全体成员共同参演的青春搞笑推理题材电影《花美男连锁恐怖事件》于韩国正式公映，李东海在影片中扮演了舞蹈社成员兼侦探的角色；同一年，组合发行了第二张韩语正规专辑《Don't Don》，其中收录了一首由李东海亲自参与歌词创作的歌曲《I am》。到了二零零八年，李东海与部分成员共同组成子团体Super Junior-M，并以此身份在中国市场正式出道，同时推出了首张国语专辑《迷》。二零零九年，李东海继续在音乐影像方面展现活跃表现，接连主演了林依晨《萤火虫》与张力尹《晴天，雨天》的音乐录影带；在这一年临近结束之际，他随组合凭借第三张专辑《Sorry, Sorry》的出色成绩，首次于韩国金唱片大赏上同时斩获唱片大赏、唱片本赏以及人气奖三大重要奖项。
二零一零年，韩国流行音乐团体Super Junior正式推出了他们的第四张韩语正规专辑《Bonamana》，这张专辑中收录了由成员李东海亲自谱曲的作品《A Short Journey》，展现了他的音乐创作才华。此后，李东海进一步涉足综艺音乐领域，为韩国知名综艺节目《强心脏》创作并献声演唱了同名的主题曲。在影视方面，他也在同年展开了活跃的演出，与文彩元、李姬珍、崔振赫等演员共同参演了家庭励志题材电视剧《没关系，爸爸的女儿》，在剧中他塑造了一位富有责任感且性格诚实的青年角色崔旭基，并为该剧创作并演唱了插曲《像现在一样》，实现了音乐与表演的双重参与。 进入二零一一年，Super Junior发行了第五张韩语正规专辑《Mr. Simple》及其后续改版专辑《A-CHa》，这两张专辑均收录了李东海的创作曲目，包括《Y》和《Oops!!》。同年十二月，李东海与队友银赫组成了小分队Super Junior Donghae & Eunhyuk，并发行了首张韩语单曲《红了哥哥》，其中包含了李东海创作的歌曲《First Love》。在戏剧领域，李东海与崔始源、陈意涵、白歆惠等合作主演的现代爱情励志剧《华丽的挑战》于民视首播，他在剧中饰演了一位离开家乡勇敢追逐音乐梦想的创作型歌手不破尚，并亲自演唱了该剧的主题曲《华丽的独秀》以及片尾曲《这是爱》。在这一年的年底，他随Super Junior凭借专辑《Mr. Simple》首次在Mnet亚洲音乐大奖上斩获了年度专辑大奖、最佳男子组合奖以及人气奖等多个重要奖项，同时还获得了金唱片大赏和首尔歌谣大赏的唱片大赏荣誉，取得了令人瞩目的成绩。 二零一二年，李东海主演的浪漫喜剧《熊猫小姐和刺猬》正式播出，他与尹胜雅、崔振赫共同合作，在剧中饰演了外表强势但内心柔软的糕点师高胜志一角，并为此剧献唱了主题曲《Please Don't》及插曲《Don't go》。随后，Super Junior推出了第六张韩语改版专辑《Spy》，这张专辑共收录了十四首作品，其中包含了李东海创作的两首歌曲《Only U》和《Haru》。此外，李东海还与同属S.M.公司的其他六位歌手共同组成了特别表演团体S.M. The Performance，在SBS歌谣大战的舞台上合作发行了韩语单曲《Spectrum》。此后，他所属的Super Junior组合凭借第六张正规专辑《Sexy, Free & Single》再次赢得了金唱片大赏的唱片大赏以及Mnet亚洲音乐大奖的年度专辑大奖。 时间来到二零一四年，小分队SJ-D&E发行了他们的首张日语专辑《Ride Me》，这张专辑成功登上了日本Oricon排行榜的日榜首位，取得了优秀的市场反响，随后他们在日本九个城市举行了总计二十二场的巡回演唱会。同年，李东海在影视方面也有新的尝试，他与柳德焕、尹珠熙、金栽经合作出演了法医推理题材的电视剧《神的测验4》，在剧中饰演了一位对工作极其认真负责的法医学研究员韩时宇。同年九月，Super Junior发行了第七张韩语正规专辑《Mamacita》，其中收录了李东海的创作曲《Shirt》。此外，由李东海主演的青春校园题材电影《少年轻狂-传闻》也在韩国上映，他在片中饰演了虽然外表帅气、身为学生会会长，却遭受同侪欺负的角色李正宇。 二零一五年，SJ-D&E推出了首张韩语迷你专辑《The Beat Goes On》，专辑中的主打歌曲《不要痛》、《Mother》、《1+1=Love》、《Still You》以及《Love That I Need》均出自李东海的原创。同年，为庆祝出道十周年，Super Junior发行了特别纪念专辑《Devil》，这张专辑共收录十首作品，其中包含了李东海创作的两首歌曲《Don't Wake Me Up》和《Alright》。 二零一七年，李东海顺利完成兵役义务并重返歌坛，他所属的Super Junior组合发行的第八张正规专辑《Play》中收录了他的创作曲《One More Chance》。在这一年的年末，李东海还受邀为豪华汽车品牌凯迪拉克创作了专属歌曲《Perfect》。二零一八年，其所属小分队SJ-D&E发行了第二张韩语迷你专辑《‘Bout You》，专辑共收录八首作品，其中包含了李东海的原创曲《‘Bout You》。 二零一九年，SJ-D&E继续活跃，发行了第三张韩语迷你专辑《Danger》，专辑共收录七首歌曲，其中主打曲《Danger》、《Gloomy》等在内的五首歌曲均由李东海负责作曲和作词。随后，Super Junior发行了第九张韩语正规专辑《Time Slip》及其改版专辑《Timeless》，这两张专辑共收录十四首作品，其中包含了李东海的创作曲《Rock Your Body》。 展望未来，在二零二五年四月，李东海与台湾知名歌手韦礼安携手合作，推出了一首全新的中文单曲《最好的朋友》，这标志着他在音乐合作上的又一次跨地域尝试。
二零二零年，东海正式推出了他个人的首支单曲《Harmony》。这首作品完全由东海本人主导，他不仅亲自负责了整首歌的制作流程，还包揽了词曲创作与编曲工作。该曲在音乐风格上属于Black Gospel，即黑人福音音乐，其中特别融入了丰富的和声演唱元素，营造出深邃而富有感染力的听觉氛围。此外，歌曲还邀请了知名嘻哈歌手BewhY参与合唱，为作品增添了独特的层次与色彩。到了二零二三年五月十五日，东海参演的电视剧《哦！英心》正式与观众见面；随后在同年八月三十一日，他与S.M娱乐公司的专属合约期满，此后他与李赫宰共同出任ODE娱乐的代表，以此身份开启了个人活动的全新阶段。同年十二月二十六日，他参演的另一部电视剧《男与女》也如期播出。进入二零二四年七月一日，东海与李赫宰一同参与了综艺节目《登陆日》的录制，并在节目中担任TF三代导师的职责，为节目带来了专业的指导与活跃的气氛。紧接着在七月十九日至二十日，他前往中国澳门，参加了在当地举办的《第五届TMEA室内音乐节》活动，进一步拓展了其演艺事业的国际参与度。
二零一五年十月十五日，李东海正式以义务警察的身份进入现役，他首先前往位于忠清南道的论山陆军训练所，在那里接受了为期数周的基础军事训练，系统学习了军队的纪律、基本技能以及作为一名军人的职责。同年十一月十二日，在顺利完成训练所的全部课程并毕业之后，他被正式分配至首尔地区，继续以义务警察的身份履行其兵役义务，在首都的日常警务辅助工作中贡献自己的力量。直至二零一七年七月十四日，李东海圆满结束了所有兵役任务，正式从部队退伍，回归普通公民生活。在此期间及之后，一些记录其日常状态的生活照片也在公众间流传，展现了他在军旅生涯之外更为生活化的一面。
李东海为人谦逊有礼，对待工作始终秉持着执着认真的态度，珍视并投入于每一部接到的作品。他习惯于细致观察日常生活中的人与事，在独处时常常练习角色独白，并通过观看大量影视剧作来汲取表演经验。即便有时仅收到剧本而最终并未参与演出，他也会将其作为宝贵的练习材料，不断揣摩角色，以此精进自身的演技。因其俊秀的外貌与漫画人物般的精致感，李东海被粉丝称为“漫画花美男”。日常穿着简约随意，性格坦率自然，时常展露温柔的笑容，兼具性感与清爽的气质，给人以十分舒适的视觉感受。对于镜头前自己那份清新自然的形象，他表现得非常坦然，能够专业而专注地融入拍摄所需的氛围之中。相较于部分演员可能会刻意寻找显帅的角度，李东海更善于理解整体的拍摄风格，往往无需过多调整，便能精准捕捉摄影师想要传达的情绪与感觉。在Super Junior李东海公开的一系列画报中，他常常以深邃的目光凝视镜头，展现出收放自如的强大气场，自然而然地散发出令人心动的迷人魅力。