1995年，与父亲一起搭戏，在古装剧《宰相刘罗锅》中饰演刘安。1999年，与王卫国搭戏，在战争电影《731部队之女体实验》中饰演佐川。2000年，在都市喜剧《贻笑大方》中饰演马小顺；同年再次与父亲合作，在电视剧《警察李酒瓶》中饰演李小山。

2001年，与李亚鹏，周迅一起搭戏，在武侠电视剧《射雕英雄传》中饰演两角裘千仞，裘千丈。2002年，与陈好搭戏，武侠剧《天龙八部》中饰演南海鳄神。2003年，与苏有朋，何润东，蔡琳一起搭戏，在偶像剧《情定爱琴海》中饰演小三子。

2005年，在武侠剧《神雕侠侣》（黄晓明版）中饰演裘千仞；之后在电视剧《钦差大臣》是父子两人合作的第三部戏，在其中饰演亦正亦邪的男主角阿丑。2008年，与胡歌，林依晨一起搭戏，在金庸武侠剧《射雕英雄传》（胡歌版）中饰演周伯通；之后与立威廉，黄奕一起搭戏，在古装片《十全九美》中饰演酒保；之后与邵兵搭戏，在电视剧《青树》中饰演小三。

2009年，与邓家佳，王子文一起搭戏，在穿越片《隋朝来客》中饰演楚楚；同年与吴樾搭戏，在抗日剧《反抗之真心英雄》中饰演时小二；之后与方中信合作，在喜剧电影《大有前途》中饰演李彪。2010年，与刘烨，范文芳合作，在喜剧电影《一不留神》中饰演杨宝财；同年与释小龙，何洁，罗家英合作，在喜剧《刀客外传》中饰演鬼脚六。

2011年，与刘涛，潘粤明一起搭戏，在电视剧《盘龙卧虎高山顶》中饰演张三；同年与陈哓东，李菲儿搭戏，在灾难片《幸存日》中饰演赵幸福。2012年，主演爱情喜剧电影《双人床条约》，饰演小刘；同年再次与父亲搭档，在古装剧《喜来乐传奇》中演德贵；之后与喻恩泰搭戏，在电影《李可乐寻人记》中饰演刘一本；再之后与田中千绘搭戏，在电影《2012来了》中演记者；并悬疑动作电影《月色狰狞》中，饰演土匪鹰老大的手下小药仙。

2014年，与江铠同合作，在古装喜剧《欢乐无双》中饰演上官诸侯；之后导演处女作悬疑片《死亡邮件》，并在其中饰演老王；同年与父亲参加综艺节目《超级访问》，之后主演的电影《老腔》入围了第38届蒙特利尔国际电影节“世界聚焦单元”。

2015年，李彧主演的电影《我要上头条》在张家口拍摄，剧中饰演摇滚暴徒。2016年，参演电视剧《青丘狐传说》，在剧中饰演灰耳/翁二爷；同年参演宫廷玄幻大剧《柜中美人》；同年2月4日，主演网络职场喜剧《老板来了》，在剧中饰演乔语丝。2017年，参演由柳珂导演执导的梦境悬疑推理电影《梦境之源》，片中饰演梦境的主人货车司机李昂一角。

2019年7月15日，参演电视剧《宸汐缘》播出，饰演乐伯；8月16日，与成龙、阿诺·施瓦辛格等合作主演的奇幻冒险电影《龙牌之谜》上映；9月，凭借影片《灰猴》获得第1届都匀电影电视节电影竞赛单元最具实力男演员奖。

2021年3月27日，参演的民国爱情剧《十二谭》播出，在剧中饰演红豆相思君。9月23日，参演的悬疑探案电影《法医宋慈2之四宗罪》在爱奇艺全网独播。