2001年，李光洁主演由张黎执导的近代剧《走向共和》，在这部剧中扮演清代第11代皇帝爱新觉罗·载湉，这也是他的首部影视作品。

　　2002年，李光洁参与演出了都市爱情剧《各就各位》。

　　2003年1月23号，李光洁和焦晃、左小青合作参与演出古装剧《乾隆王朝》播出;仍是这年，和邢佳栋合作参与演出的爱情剧《都市第五季》播出;另外，他还与王学圻、刘蓓等人合作主演了战争情感剧《军人机密》，在这部剧中扮演性格内向又非常倔强的张根生(贺仪生)。

　　2004年，李光洁和段奕宏、汤唯等人合作主演现代剧《红旗渠的儿女们》，在这部剧中扮演宁霄雅的同学肖风;仍是这年，主演陈家林执导的古装剧《大清风云》，剧中扮演性格张扬、任性冲动、跋扈的豫亲王多铎，这也是他第一次参与演出反派人物;10月15号，李光洁与归亚蕾、朱旭、斯琴高娃合作参与演出的抗争剧《沧海百年》播出;12月份，与段奕宏合作主演的剧情剧《记忆的证明》播出，他在这部剧中扮演劳工夏明远。

　　2005年12月11号，李光洁主演的历史悬疑谍战剧《密令1949》开播，李光罪符欠戏洁在这部剧中扮演机警、成熟的公安战士焦志新。

　　2006年，李光洁在爱情战争剧《特殊使命》中扮演地下工编辑巩向光和巩渭平;仍是这年，和张铁林合作主演古装传奇剧《北魏冯太后》，他在这部剧中扮演北魏文成帝拓跋浚。

　　2007年5月10号，李光洁主演的古装剧《越王勾践》播出，在这部剧中扮演敢于和勾践据理力争、也敢于挑战祖市邀勾践的臣子范蠡;而后，在都市悬疑剧《柳叶刀》中饰外科大夫李肖一;另外，他还主演了顾长卫执导的剧情片《立春》，在片中扮演没有实现画家梦想，却因思想转变迫切地加入到下海队伍的黄四宝。

　　2008年，李光洁主演抗战剧《杀虎口》，在这部剧中扮演拥有浪漫主义情怀的革命战士白朗;6月15号，主演抗日战争题材影片《盘尼西林·1944》在上海首映，李光洁在片中扮演地下游击队员慕容轩;9月24号，和刘烨合作参与演出现代墓殃民剧《大家生活的年代》，在这部剧中扮演衣食无忧、性格乐观而开朗、重情重义的富少赵家乐。

　　2009年4月14号，李光洁参与演出的神话剧《宝莲灯前传》在央视八套的首播;仍是这年，和舒畅连袂主演商战剧《无量天》，在这部剧中扮演看花坪山中的孤儿，后被陆秀萍收养后成为陆遥的弟弟郭乘风;9月4号，在谍战剧《谍影重重之上海》中扮演中共上海情报局人员向亦鹏;9月17号，和万茜、姚安濂连袂主演的抗日谍战片《浴血记者》播出，在这部剧中扮演热衷于报道真相，挖掘内幕，化笔为枪的上海有名娱乐记者冷言;10月30号，和郝蕾、高云翔合作主演的都市情感剧《当爱已成往事》播出，在这部剧中扮演亦正亦邪的卫国。

　　2010年4月6号，李光洁主演的都市情感剧《寻人启事》在沈阳电视台影视频道播出，在这部剧中扮演外表强悍，却内心敏感，特别重感情的草根青年高原;7月22号，和王珞丹合作主演励志剧《杜拉拉升职记》播出，他在这部剧中扮演DB大客户部销售总监王伟;12月20号，和秦丽合作主演的年代情感剧《黄河古镇》播出，在这部剧中扮演孟岸的父亲孟祥河;同一月份27号，参与演出的年代情感剧《老马家的幸福往事》播出。

　　2011年3月10号，李光洁主演的空军题材影片《歼十出击》在中国内地上映，他在这部剧中扮演对事业认真，对部下关心的飞奔霸驼页行师副师长印双虎;仍是这年，和佟丽娅连袂主演都市情感剧《我的经济适用男》，李光洁在这部剧中扮演对爱固执的IT男陈启中;另外，他还参演了抗战剧《光荣使命》;仍是这年，和谢霆锋合作参与演出青春励志剧《下一个奇迹》;记去11月20号，执导首部微影片《幸福速递》，并获年度“触电”竞记篮糠赛单元最佳剧情短片奖以及在第一届玛克思未来影像季中获得“最佳微影片”，“最佳导演”提名。

　　2012年，李光洁和郑秀文、古天乐合作参与演出文艺爱情片《高海拔之恋2》;3月12号，和王珞丹主演的爱情剧《山楂树之恋》在江苏卫视播出，李光洁凭借在这部剧中扮演的军区司令员儿子“老三”获得第二届乐视影视盛典上获“电视剧飞跃进步演员”奖;仍是这年，客串都市情感剧《北京青年》，扮演丁香念念不忘的前男友沈昌。

　　2013年，李光洁与陈思成合作参与演出抗战剧《战神》;仍是这年，参加网剧《美人季》，而后，执导微影片《伴你高飞》;4月18号，参与演出的警匪影片《毒战》上映，他在影片中扮演广东缉毒警陈志雄。

　　2014年6月26号，李光洁和张歆艺联手演绎根据网络小说《第三种爱情》改编的都市纯爱电视剧《绝爱》播出，在这部剧中扮演外表俊美、个性孤傲冷漠，内心脆弱，浑身散发着迷人气质的痴情总裁林启正;仍是这年，主演中国版话剧《罗密欧与朱丽叶》;8月份，主演都市情感剧《酷爸俏妈》，李光洁在这部剧中扮演事业有成的装饰装潢企业老板孙大雷;仍是这年11月份，与张檬、倪大红等人合作主演都市情感剧《百炼成爹》;另外，李光洁还参演了陆川执叠堡愉导的灾难探险片《九层妖塔》，在片中扮演794局长陈九阳;12月6号，12月6号，参与演出的当代都市剧《团圆饭》播出，李光洁在这部剧中扮演废柴大哥宋一达。

　　2015年1月15号，李光洁和殷桃、吴秀波合作主演的民国剧《大道通天》播出，在这部剧中扮演忠义商人吴皖忠;5月份，李光洁客串搜狐网络剧《屌丝男士4》;仍是这年8月份，与朱丹、谢园合作主演情感剧《八九不离十》，李光洁在这部剧中扮演爱吹牛、好面子，在船厂工作的李善军;11月份，与张睿、倪大红等人合作主演红色剿匪剧《林海雪原》，李光洁在这部剧中扮演有着“特级侦查英雄”称号，硬朗果敢，心思缜密的传奇英雄杨子荣。

　　2016年，李光洁搭档陈伟霆、胡军参演魔幻影片《战神纪》扮演勇猛果敢的草原王“札木合”;8月11号，主演的警匪动作片《使徒行者》正式上映，在片中扮演狠毒的神秘人董先生;仍是这年，参加北京卫视明星真人秀《跨界歌王》的比赛，并获得最具突破奖;另外，参与演出奇幻喜剧爱情片《二代妖精之今生有幸》，在片中扮演妖界重要人物云中鹤;仍是这年，李光洁担任野生救援组织保护鲨鱼公益形象大使，在墨西哥海底拍摄公益广告《鲨鱼来了.饭局篇》;另外，参演的悬疑影片《抓猴》上映。

　　2017年8月27号，李光洁参与演出的武侠影片《刀背藏身》上映。

　　2018年1月25号，李光洁和陈数、雷佳音等人合作主演的谍战悬疑剧《和平饭店》在浙江卫视首播，在这部剧中扮演破案无数，手腕强硬，性情难测，亦正亦邪的铁血警长窦仕骁;3月12号，主演的都市剧《梦想合伙人》播出，李光洁在这部剧中扮演魏文彬、贾磊的合伙人关晓春。

　　2019年1月20号，李光洁获得中国文娱金数据发布盛典年度优秀专业口碑演员奖;2月4号，在中央广播电视总台春节联欢晚会上与刘劲、刘佩琦朗诵《可爱的中国》;2月5号，主演的科幻片《流浪地球》在中国内地上映，在片中地球联合政府的军人王磊，该影片上映5天，累计实现票房收入15.92亿元;4月30号，主演的剧情影片《雪暴》上映，李光洁在片中扮演森林警察韩晓松;7月16号，和刘昊然、宋祖儿等合作主演的古代传奇剧《九州缥缈录》播出，李光洁在这部剧中扮演东陆一代名将息衍;9月9号，和费启鸣、孙千合作主演的青春校园情感剧《我在未来等你》播出，李光洁在这部剧中扮演对人生不满的大学老师郝回归;9月23号，主演的年代剧《激情的岁月》在中央电视台综合频道首播，李光洁在这部剧中扮演科研工编辑王怀民。

　　2020年2月5号，李光洁参加由CCTV-6影片频道和武汉广播电视台联合出品、《今日影评》栏目制作的打赢疫情防控阻击战特别节目《两地书》，为在与渐冻症争分夺秒中奋战抗疫最前线的武汉市金银潭医院党委副书记、院长张定宇遥寄《两地书》;9月30号，参加2020央视国庆晚会《“中国梦·祖国颂”——2020国庆特别节目》，和王鸥、蒋欣、郭晓东合唱歌曲《风雨无阻向前进》;10月24号，李光洁参加中央广播电视总台《英雄儿女——纪念中国人民志愿军抗美援朝出国作战70周年文艺晚会》，和刘劲、徐涛、王学圻、温玉娟、张凯丽、陈数、江疏影等文艺工编辑朗诵《和平的天空》。10月31号，李光洁在央视音乐节目《TOP荣耀时刻》中演唱歌曲《漂洋过海来看你》;11月17号，出演的时代报告剧《石头开花》播出，在这部剧中扮演了梁启;12月20号，参演的改革开放献礼剧《大江大河2》播出，李光洁在这部剧中扮演化工部司长路小第。

　　2021年3月28号，李光洁和刘涛、颖儿、李宗翰主演的都市家庭剧《陪你一起长大》开播，在这部剧中扮演奚彬;9月17号，特别参与演出的灾难影片《峰爆》上映，李光洁在这部片中扮演空军飞行员齐镭;9月21号，李光洁出演的短剧集《再见，那一天》在爱奇艺播出。李光洁在这部剧中扮演遗体整容师胡广来;10月1号，出演的影片《我和我的父辈》之《乘风》上映，李光洁在影片中扮演政委汪乃荣;10月8号，李光洁和蒋欣主演的电视剧《功勋 》之《申纪兰的提案》单元播出。

　　2022年4月27号，李光洁特别参与演出的古装谍战剧《风起陇西》播出;5月23号，参加中央广播电视总台为纪念延安文艺座谈会80周年而推出的学问节目《从延安出发》;7月14号，李光洁参演的系列律政悬疑剧《庭外》播出;9月2号，参演的影片《援军明日到达》开机;10月1日-7号，参演国家话剧院创排的文献话剧《抗战中的文艺》在国家大剧院戏剧场上演，李光洁在话剧中扮演文艺先驱者夏衍;11月18号，参演的《抗战中的文艺》在网络全平台线上演播;11月27号，和赵丽颖、欧豪领衔主演的时代群像闯剧《风吹半夏》 播出，李光洁在这部剧中扮演赵垒;12月7号，特别参与演出的当代都市剧《县委大院》播出，李光洁在这部剧中扮演九原县县长曹立新。

　　2023年1月份，李光洁主演的影片《敦煌英雄》杀青，扮演廖黑云;1月21号，参加《2023年中央广播电视总台春节联欢晚会》，演唱歌曲《马上就会好的》;1月24号，参加的《奋进新征程——2023中国网络视听年度盛典》播出，参与朗诵《风起陇西》。1月26号，李光洁参加新春脱口秀;2月8号，参演的中国首档边境人文纪录片《万里国境》上线。2月份，李光洁参演《英雄时代》;3月30号，获得《剧耀东方·2023电视剧品质盛典》品质表现力剧星。4月3号，李光洁参加2023中国(开封)清明学问节开幕晚会。