2015年，参与了《思美人》和《诛仙》等电视剧的角色试镜。

2016年6月30日，主演的民国玄幻剧《半妖倾城》在芒果TV和乐视视频上线，李一桐在剧中饰演性格倔强率真、敢爱敢恨的女主角聂倾城，与明夏演绎一场“半妖与人”之恋；同时，该剧也是李一桐个人首部电视剧。之后，在东方神话剧《朝歌》中，饰演胡仙儿。11月，主演根据鲜橙同名小说改编的都市爱情剧《只为那一刻与你相见》；而该剧是李一桐首次接触现代题材的电视剧。

2017年1月9日，主演的根据金庸同名小说改编的古装武侠电视剧《射雕英雄传》在东方卫视播出，在剧中李一桐饰演玲珑剔透、聪慧机灵的黄蓉，帮助郭靖成长为“侠之大者”的民族英雄，并凭该角色荣获中国电视剧品质盛典“年度新锐剧星奖”和由《电视指南》杂志特别策划的中国最具产业影响力电视剧新人奖。4月，确定与陈建斌合作主演都市时尚情感电视剧《爱我就别想太多》，在剧中李一桐饰演新锐服装设计师夏可可 。9月6日，发布个人首支单曲《迷你闪电》。12月2日，在爱奇艺举办的“尖叫之夜”盛典上获得“年度戏剧新人”奖 。12月，在由冯小刚监制、根据同名小说改编的古装玄幻网络剧《剑王朝》中，李一桐饰演女主角长孙浅，是一个高冷的冰山美人。

2018年1月12日，与陈奕迅和李荣浩合作出演动作喜剧电影《卧底巨星》于全国上映，在片中饰演开朗活泼的女演员童童。5月，与罗晋合作主演根据雪满梁园同名网络小说改编的古装权谋剧《鹤唳华亭》，并饰演灵秀温婉、冷静果敢的阿宝，为复仇潜入东宫，与萧定权相互试探间逐渐产生不一般的情感，并最终反戈助定权险胜。7月24日，主演的根据半明半寐同名小说改编的古装励志言情剧《媚者无疆》在优酷上线，李一桐饰演的晚媚是一名姽婳城杀手 。

2019年3月，和许凯合作主演古装爱情轻喜剧《驯夫记之大唐女儿行》，并在剧中饰演普通商人出身的傅柔。之后，还搭档杨洋主演军旅剧《特战荣耀》，并在剧中饰演边防团中最年轻的电子信息通讯工程师艾千雪。10月24日，民国情感剧《海棠经雨胭脂透》在芒果TV上线，李一桐在剧中担任女主角顾海棠，在国仇家难中与众人团结起来将民族品牌发扬光大 。12月，与李鸿其搭档主演的奇幻爱情电影《我在时间尽头等你》将于全国上映 。