2005年，李东海以组合Super Junior成员身份正式出道，并在音乐节目《人气歌谣》中以出道曲《Twins (Knock Out)》初次登台。随后，李东海先后主演了宝儿《Key Of Heart》及少女时代《Kissing You》的音乐录影带。

2007年，SJ全体成员主演的青春搞笑推理电影《花美男连锁恐怖事件》在韩国首映，李东海在片中饰演舞蹈社成员及侦探；同年，SJ发行第二张韩语专辑《Don't Don》，收录李东海参与作词的歌曲《I am》。

2008年，李东海与组合成员组成的Super Junior-M在中国出道，并发行首张国语专辑《迷》。2009年，李东海相继主演了林依晨《萤火虫》及张力尹《晴天，雨天》的音乐录影带；年底，随组合凭借第三张专辑《Sorry, Sorry》首次获得韩国金唱片大赏的唱片大赏、唱片本赏和人气奖。

2010年，SJ发行第四张韩语专辑《Bonamana》，收录由李东海谱曲的《A Short Journey》；之后，李东海为韩国综艺节目《强心脏》创作并演唱同名主题曲；李东海还与文彩元、李姬珍、崔振赫合作出演了家庭励志电视剧《没关系，爸爸的女儿》，在剧中饰演富责任感的诚实青年崔旭基 ，李东海创作及演唱插曲《像现在一样》。

2011年，SJ发行第五张韩语专辑《Mr. Simple》及改版专辑《A-CHa》，收录李东海创作曲《Y》及《Oops!!》 ；同年12月， 李东海与银赫组成Super Junior Donghae & Eunhyuk，并发行首张韩语单曲《红了哥哥》，收录李东海创作曲《First Love》；此外，李东海与崔始源、陈意涵、白歆惠联袂主演的现代爱情励志剧《华丽的挑战》在民视上首播，在剧中饰演离开故乡追寻梦想的音乐创作型歌手不破尚，并演唱主题曲 《华丽的独秀》及片尾曲《这是爱》；年底，随组合凭专辑《Mr. Simple》首次获得Mnet亚洲音乐大奖年度专辑大奖、最佳男子组合奖及人气奖，他们还获颁金唱片大赏及首尔歌谣大赏的唱片大赏。

2012年， 李东海与尹胜雅、崔振赫合作主演的浪漫喜剧《熊猫小姐和刺猬》开播，在剧中饰演外表强势内心脆弱的糕点师高胜志，并演唱主题曲《Please Don't》及插曲《Don't go》；随后，SJ发行第六张韩语改版专辑《Spy》，收录了李东海创作曲《Only U》及《Haru》在内的十四首作品 ；李东海还与同公司的六位歌手组成S.M. The Performance，在SBS歌谣大战上合作发行韩语单曲《Spectrum》；之后，李东海所属组合凭借第六张专辑《Sexy, Free & Single》赢得金唱片大赏唱片大赏及Mnet亚洲音乐大奖年度专辑大奖。

2014年，SJ-D&E发行首张日语专辑《Ride Me》，获日本Oricon排行榜日榜第一位，随后在日本9个城市举行共22场巡演；之后，李东海与柳德焕、尹珠熙、金栽经合作出演了法医推理电视剧《神的测验4》，在剧中饰演对工作认真负责的法医学研究员韩时宇；同年9月，SJ发行第七张韩语专辑《Mamacita》，收录李东海创作曲《Shirt》；此外，李东海主演的青春校园片《少年轻狂-传闻》在韩国上映，在片中饰演遭同侪欺负的帅气学生会会长李正宇。

2015年，SJ-D&E发行首张韩语迷你专辑《The Beat Goes On》，主打曲《不要痛》、《Mother》、《1 1=Love》、《Still You》及《Love That I Need》是李东海的原创曲 同年，Super Junior发行出道十周年特别专辑《Devil》，收录了李东海创作曲《Don't Wake Me Up》及《Alright》在内的十首作品

2017年，李东海退伍并回归歌坛，所属组合SJ第八张专辑《Play》收录李东海创作曲《One More Chance》；年末，李东海为豪华汽车品牌凯迪拉克创作歌曲《Perfect》。

2018年，所属组合SJ-D&E发行第二张韩语迷你专辑《‘Bout You》，收录了包括东海原创曲《‘Bout You》在内的八首作品。

2019年，所属组合SJ-D&E发行第三张韩语迷你专辑《Danger》，共收录7首歌曲，主打曲《Danger》、《Gloomy》等5首歌曲由东海作曲作词；随后，SJ发行第九张韩语专辑《Time Slip》及改版专辑《Timeless》，收录了李东海创作曲《Rock Your Body》在内的十四首作品。