2001年，李東海參加第3屆SMAuditon青少年Best選拔大會獲外貌大賞、全場大賞，簽約韓國SM娛樂有限公司。歷經5年練習生涯，期間以專業舞蹈功底入選舞蹈A班。

2005年11月6日，李東海以組合SuperJunior成員身份正式出道，SuperJunior在《人氣歌謠》節目中以《Twins(KnockOut)》初次登臺。

2007年7月，SuperJunior主演的電影《花美男連鎖恐怖事件》首映，李東海在劇中擔任舞蹈社成員及偵探。

2008年4月8日，李東海加入SuperJunior-M，在中國音樂風云榜年度盛典出道，5月發行第一張正規專輯《迷》。

2010年，李東海出演家庭勵志電視劇《沒關系，爸爸的女兒》，在劇中出演生活艱苦卻責任感極強腳踏實地的青年“崔旭基”。

2011年12月16日，李東海與銀赫組成SuperJunior的第五個子組合SuperJuniorDonghae&Eunhyuk，并發行首張韓語數位單曲《Oppa,Oppa（紅了哥哥）》；12月18日，李東海與崔始源、陳意涵、白歆惠主演臺灣偶像劇《華麗的挑戰》，在劇中飾演當紅偶像暢銷歌手“不破尚”。

2012年7月16日，李東海主演浪漫喜劇《熊貓小姐和刺猬》，在劇中飾演糕點師“高勝志”；12月29日，李東海與銀赫、鄭允浩、崔珉豪、李泰民、KAI、LAY組成S.M.ThePerformance，在SBS歌謠大戰上表演韓語單曲《Spectrum》。

2014年2月26日，SuperJuniorDonghae&Eunhyuk發行日文專輯《RideMe》，并在日本9個城市舉行共22場巡演；5月18日，李東海出演法醫學及犯罪偵查電視劇《神的測驗4》；10月13日，主演短篇校園電影《少年輕狂傳聞》在韓國上映。

2015年1月9日，李東海主演的電影《少年輕狂傳聞》在香港上映；7月14日，主演樂天免稅店微電影《像詩一樣的旅行》；7月16日及9月16日，SuperJunior發行出道十周年特別專輯《Devil》及《Magic》，收錄李東海參與作詞作曲的《Don'tWakeMeUp》及《Alright》。