2001年，李东海参加第3届SM Auditon青少年Best选拔大会获外貌大赏、全场大赏，签约韩国SM娱乐有限公司。历经5年练习生涯，期间以专业舞蹈功底入选舞蹈A班。

2005年11月6日，李东海以组合Super Junior成员身份正式出道，Super Junior在《人气歌谣》节目中以《Twins (Knock Out)》初次登台。

2007年7月，Super Junior主演的电影《花美男连锁恐怖事件》首映，李东海在剧中担任舞蹈社成员及侦探。

2008年4月8日，李东海加入Super Junior-M，在中国音乐风云榜年度盛典出道，5月发行第一张正规专辑《迷》。

2010年，李东海出演家庭励志电视剧《没关系，爸爸的女儿》，在剧中出演生活艰苦却责任感极强脚踏实地的青年“崔旭基”。

2011年12月16日， 李东海与银赫组成Super Junior的第五个子组合Super Junior Donghae & Eunhyuk，并发行首张韩语数位单曲《Oppa, Oppa（红了哥哥）》；12月18日，李东海与崔始源、陈意涵、白歆惠主演台湾偶像剧《华丽的挑战》，在剧中饰演当红偶像畅销歌手“不破尚”。

2012年7月16日， 李东海主演浪漫喜剧《熊猫小姐和刺猬》，在剧中饰演糕点师“高胜志”；12月29日，李东海与银赫、郑允浩、崔珉豪、李泰民、KAI、LAY组成S.M. The Performance，在SBS歌谣大战上表演韩语单曲《Spectrum》。

2014年2月26日，Super Junior Donghae & Eunhyuk发行日文专辑《Ride Me》，并在日本9个城市举行共22场巡演；5月18日，李东海出演法医学及犯罪侦查电视剧《神的测验4》；10月13日，主演短篇校园电影《少年轻狂﹣传闻》在韩国上映。

2015年1月9日，李东海主演的电影《少年轻狂﹣传闻》在香港上映；7月14日，主演乐天免税店微电影《像诗一样的旅行》；7月16日及9月16日，Super Junior发行出道十周年特别专辑《Devil》及《Magic》，收录李东海参与作词作曲的《Don't Wake Me Up》及《Alright》。