李东恒从艺之前就读于电子科技大学外语学院，主修英文和法文，副修商业管理。

2007年，参加重庆卫视《第一次心动》全能演员选秀活动出道，全国总冠军这一头衔让李东恒展开了自己的演艺生涯 。

2008年，参演古装探案剧《十大奇冤》，饰演阿拉罕王子 。同年，参演电视剧《花篮花儿香》。

2011年，签约北大星光集团。同年，主演沈好放执导的电视剧《铁血男儿夏明翰》，在剧中饰演有特殊革命身份的朱庭礼 。

2012年，主演独立电影《垂柳》，该片入围2014年伦敦电影节参赛影片 。同年，参演了由央视电影频道出品的系列微电影《爱@桐乡》，饰演酒吧老板吕松 。

2014年，与李雪健合作主演电影《远方的河》，分别饰演英雄人物陈诺的青年时期和老年时期 。同年，参演由朱雨辰、郭京飞主演的都市轻喜剧《约会专家》，饰演年轻白领王虚竹 。

2015年1月，参演范冰冰、张丰毅主演的古装宫廷剧《武媚娘传奇》，饰演大唐将军薛万彻 。2月，与林峰、方中信合作主演古装武侠剧《六扇门》，饰演关外武林人士肖俊 。

2015年7月现代爱情巨制《亲爱的翻译官》在剧中饰演李雷 。

2016年本剧在湖南卫视热播。同年，同杨幂、赵又廷合作古装电视剧《三生三世十里桃花》，在剧中饰演连宋，本剧由林玉芬导演亲自操刀，并由殿堂级人物张叔平作为本剧的造型师。

2016年由李东恒主演 的涉案剧《谜砂》 在东方卫视黄金时段首轮播出并获得收视冠军。

2018年，在由迪丽热巴和高伟光主演的古装玄幻爱情剧《三生三世枕上书》中再度饰演天族三殿下连宋 。

2019年12月6日，主演的悬疑犯罪电影《迷局伏香》上映 。

2020年12月26日，主演的都市情感悬疑剧《阳光之下》在芒果TV播出，在剧中饰演杨雨泽 。