李东霖的出生地是北京市丰台区，他在那里度过了自己的青少年时期。高中阶段，他就读于北京市第十八中学，接受了系统的基础教育。完成高中学业后，李东霖凭借优异的成绩和艺术才华，成功考入北京电影学院表演系，开始了专业的表演学习。在大学的同窗之中，包括了栾评、董璇、关悦等多位日后在演艺界发展的同学，他们共同度过了宝贵的求学时光。在北京电影学院求学期间，李东霖的学习生活非常充实活跃，他不仅积极响应学校号召，多次参与了由学校组织举办的各类文艺汇演活动，积累了丰富的舞台经验；同时，他还积极投身于话剧实践，先后在多部话剧作品中担任角色，通过这些舞台表演进一步锤炼了自己的演技，为日后进入影视行业奠定了扎实的专业基础。
在2004年，他与沈腾、谢娜、何炅、陈畅以及周大勇等多位演员合作，共同参演了喜剧作品《想吃麻花现给你拧》，并在其中生动塑造了朱辉忠这一角色。同一年，他还担任了话剧《淡了加点儿韭菜花》的主演，全身心投入舞台表演；此外，他也在由滕文骥执导的一部充满年代氛围的情感剧《血色浪漫》中亮相，展现了其多样化的表演能力。进入2005年，他先后参演了两部历史题材剧作《嘉庆皇帝》和《武昌首义》，进一步拓宽了演艺道路；同样是在这一年，由他亲自执导的电影《一样的人》正式登陆院线，标志着他开始涉足导演领域。2006年，他主演了电影《看着我的眼睛》，成功诠释了主人公竹卫东这一核心角色，给观众留下了深刻印象。到了2008年，他再次聚焦历史题材，接连主演了历史剧《风云一九四九》《狼烟北平》，同时也出演了一部武侠剧《书剑恩仇录》，展现了其在古装剧领域的驾驭能力。2009年，他登上了北京电视台春节联欢晚会的舞台，与搭档共同表演了精彩的小品《常回家看看》；同年，他还在青春励志偶像剧《一起来看流星雨》中出演，饰演了柴雪村一角；此外，由他主演的电影《男人三十五》也在同年上映；10月1日，其主演的电视剧《风云1949》正式播出，他在剧中饰演了罗金驰这一人物。2010年，他主演了一部聚焦家庭关系的伦理剧《双城生活》；同年，他又出演了一部都市情感剧《夏家三千金》，在剧中饰演戚薇的父亲于成威，细腻地刻画了父辈角色的情感世界。
在2011年，这位演员参与了由导演李云亮执导的一部充满年代氛围的情感剧《母亲，母亲》，由此展开了其演艺事业中忙碌而充实的一年。同年，他更是在都市励志情感剧《囧人的幸福生活》中担当主演，并在另一部以年代商战为背景的剧集《向东是大海》中饰演了重要角色。在作品《囧人的幸福生活》中，他塑造了方鸿这一形象（剧中位置为右）。进入2012年，他主演了一部聚焦家庭伦理关系的电视剧《我家有喜》；同年9月，他受邀出席了安徽卫视举办的“献礼大剧盛典”活动，并登台现场演唱了歌曲《知心爱人》，展现了多方面的才华。2013年1月24日，他亮相于“旅游大奖颁奖典礼”，不仅作为嘉宾出席，更担任了颁奖者的角色；随后的6月，他获得了中央电视台综合频道（CCTV-1）的邀请，参与了综艺节目《谢天谢地你来了》的录制工作。同年，他还主演了一部年代传奇题材的剧集《填四川》，并出演了一部近代传奇剧《妇道》（该剧原名《铁娘子》）；此后，他又在导演安建执导的年代剧《大河儿女》中贡献了演出。 2014年，他的工作重心继续集中在电视剧领域，主演了都市情感剧《一场奋不顾身的爱情》；同年，他在一部家庭剧《二婶》中饰演了名为熊有年的角色；此外，他也在一部都市题材剧集《姐妹兄弟》中进行了客串演出。2015年，他主演了一部谍战剧《过界》，在剧中成功塑造了代号为侯天亮的特工角色。在相关作品《过界》中，他呈现了侯天亮的形象（剧中位置为左），而在《过界》与《过界》中，他也分别以侯天亮的角色出现。2016年，他主演了一部抗战题材电视剧《骡子和金子》；同年10月，其参与监制的一部以篮球运动为主题的电影《追球者》于搜狐视频平台正式上线播出。2017年12月，他参演的一部古装题材电视剧《不负如来不负卿》与观众见面。在作品《不负如来不负卿》中，他饰演了名为昆沙的角色，而在《不负如来不负卿》与《不负如来不负卿》中，他也分别以昆沙的形象出现（在《不负如来不负卿》中为前景位置）。 2018年，其职业生涯有了新的拓展，不仅以演员身份活跃，更首次担任制片人，其参与制片的古装仙侠剧《香蜜沉沉烬如霜》于此年播出；同年8月，他进一步涉足话剧领域，不仅亲自担任编剧，还同时出任主演的话剧作品《北新桥的海眼》在北京的鼓楼西剧场拉开了首轮演出的帷幕。2020年9月28日，由他主演的一部背景设定在民国时期的悬疑剧《万水千山风雨情》正式播出。2021年1月，其首次以导演身份执导的电视剧《江山如此多娇》与观众见面。2022年，他执导的另一部电视剧作品《我们这十年~沙漠之光》也如期播出。来到2024年，他的创作活动依然频繁：3月，其作为联合导演参与创作的都市剧《小日子》开播；5月30日，由他主演的电视剧《新一年又一年》播出，他在剧中饰演了何大海一角；6月27日，其执导的电视剧《执行法官》播出；同年12月1日，另一部由他担任联合执导的电视剧《好运家》也与观众见面。在此过程中，演员李东霖也通过一系列写真记录下了其职业旅程的各个瞬间。
二零一五年三月二十三日，演员李东霖应邀出席了在北京举办的环保公益活动“爱在北京·1018绿色生活月”的启动仪式。在活动现场，他围绕可持续生活的主题，与到场嘉宾及公众分享了自己对于环境保护的见解与日常实践。他特别倡导绿色出行方式，鼓励大家在条件允许的情况下尽量减少私家车的使用，多选择公共交通、骑行或步行，以此降低碳排放。此外，李东霖还透露了个人在生活中秉持的环保习惯，例如为了减少一次性餐具的消耗和废弃物产生，他平日会尽量避免食用外卖盒饭，身体力行地将环保理念融入日常细节之中。他的发言与分享，旨在唤起更多人对生态环境的关注，并激励大家从身边小事做起，共同参与到绿色生活的行动中来。