2001年，李光潔在古裝戰爭電視劇《走向共和》中飾光緒皇帝。同年，與焦晃、左小青合作在電視劇《乾隆王朝》中飾演沈修儒。

2002年，李光潔與段奕宏合作參加電視劇《記憶的證明》的拍攝，在劇中飾演勞工夏明遠。同年，在生活愛情故事《各就各位》中飾演鐘靈。

2003年，李光潔與邢佳棟合作在現代愛情喜劇《都市第五季》中飾演歐克。同年，與歸亞蕾、朱旭、斯琴高娃合作在古裝電視劇《滄海百年》中飾演恭親王奕欣。同年參加愛情戰爭電視劇《軍人機密》的拍攝在劇中飾演性格內向又非常倔強的張根生（賀儀生）。

2004年李光潔與陳思成、段奕宏、湯唯、王寶強合作電視劇《紅旗渠的兒女們》（飾肖風）。同年攜手張豐毅、許晴、孫淳合作古裝電視劇《大清風云》（飾多鐸）。

2005年參加大型歷史劇《越王勾踐》的拍攝在劇中飾演范蠡。同年參加電視劇《密令1949》的拍攝在劇中飾演機警、成熟的公安戰士焦志新。

2006年在愛情戰爭電視劇《特殊使命》中飾演一個地下工作者鞏向光（鞏渭平）。同年與張鐵林合作在大型歷史劇《北魏馮太后》中飾演北魏文成帝拓跋浚。

2007年在都市懸疑大戲《柳葉刀》中飾外科大夫李肖一。同年于焦恩俊合作在神話劇《寶蓮燈前傳》中飾演楊天佑。同年與劉燁合作出演現實主義劇作《我們生活的年代》，飾演天真、仗義的趙家樂。同年參加了電影《立春》的拍攝在劇中飾演黃四寶。

2008年參加純愛大劇《當愛已成往事》的拍攝在劇中飾演亦正亦邪的衛國。同年出演都市生活劇《尋人啟事》飾演草根青年高原。同年與萬茜、姚安濂聯袂主演了抗日諜戰片《浴血記者》在劇中飾演冷言（周逸萍）。同年出演抗戰題材的電視劇《殺虎口》飾演擁有浪漫主義情懷的革命戰士白朗。同年在諜戰電視劇《諜影重重之上?！分酗椦葜泄采虾Ｇ閳缶秩藛T向亦鵬和演諜戰電影《盤尼西林?1944》中的慕容軒。

2009年，李光潔與王珞丹主演電視劇《杜拉拉升職記》，飾演職場新貴王偉。同年，與舒暢聯袂出演大型商戰劇《無量天》（飾郭乘風）。

2010年，出演年代情感劇《老馬家的幸福往事》（飾劉

坤）。同年，與秦麗主演年代情感劇《青城緣》（飾孟祥河）。

2011年3月，李光潔搭檔殷桃、吳秀波主演民國大劇《大道通天》，飾演男主角忠義商人吳皖忠。同年，與佟麗婭聯袂主演都市情感大劇《我的經濟適用男》劇中李光潔飾演對愛執著的IT男陳啟中。同年參加抗戰大戲《光榮使命》的拍攝在劇中飾演肖天宇。同年與謝霆鋒合作出演電視劇《下一個奇跡》在劇中飾演潘副總。同年執導微電影《幸福速遞》，并獲2011年度“觸電”競賽單元最佳劇情短片獎以及在首屆瑪克思未來影像季中獲得“最佳微電影”，“最佳導演”和“最佳男演員”三項提名。同年出演電影《殲十出擊》在劇中飾演印雙虎。同年參加了3D驚悚電影《抓猴》的拍攝。同年4月，與鄭秀文、古天樂主演愛情電影《高海拔之戀2》，李光潔飾演的小田角色被鄭秀文癡戀，二人之間上演了一段曠世奇情。

2012年3月，李光潔與王珞丹主演電視劇《山楂樹之戀》在江蘇衛視播出，憑借老三角色在第二屆樂視影視盛典上獲“電視劇飛躍進步演員”獎。同年參加當代都市大劇《找北》的拍攝在劇中飾演關曉春。同年在電視劇《北京青年》中客串丁香念念不忘的前男友沈昌。同年參加電視劇《團圓飯》的拍攝在劇中飾演男一號宋一達。同年7月，與張歆藝聯手演繹根據熱門網絡小說《第三種愛情》改編的都市純愛電視劇《絕愛》，在劇中飾演癡情總裁林啟正。

2013年，李光潔與陳思成合作出演戰爭偶像大劇《戰神》（飾

張道平）。同年參加網劇《美人季》的友情出演。同年執導微電影《伴你高飛》兼任監制與旁白。同年在警匪電影《毒戰》中飾演廣東緝毒警陳志雄。

2014年，李光潔與殷桃出演由田沁鑫指導，為紀念莎士比亞誕辰450周年創排的話劇《羅密歐與朱麗葉》，在全國巡演七十余場。2014年8月，李光潔搭檔佟麗婭、朱銳、趙子琪主演都市情感劇《酷爸俏媽》，劇中飾演老板孫大雷。同年11月，李光潔搭檔張檬、倪大紅等主演都市情感劇《百煉成爹》。同年12月，李光潔搭檔馬蘇主演的電視劇《團圓飯》在東方、江蘇、天津衛視播出，李光潔飾演“廢柴大哥”宋一達。2014年參演由陸川執導，根據小說《鬼吹燈之精絕古城》改編的電影《九層妖塔》，飾演794局長陳九陽。

2015年5月，客串搜狐網絡劇《潘磕惺4》。同年8月，與朱丹、謝園主演情感劇《八九不離十》（飾李善軍）。