1997年，年仅19岁的李晨刚刚考入艺术学院，少年李晨还没有开始系统的表演学习，便在数千人的竞争中脱颖而出，在校园青春剧《十七岁不哭》中饰演男主角简宁，从而正式进入演艺圈；同年，与颜丹晨、张超、炀姿白云合作主演青春剧情电影《花季·雨季》，在片中饰演擅长打篮球的体育委员王笑天。

1998年，与王志文、李幼斌、陈大伟合作主演警匪剧《刑警本色》，在剧中饰演梅莉的弟弟梅英，这是他首次与段奕宏合作。

2002年，与李小璐、吕丽萍、孙一理合作主演清宫剧《十三格格》，在剧中饰演与十三格格一起长大并一直追求着她的男主角七贝勒。

2004年，与任泉、刘威、赵琳合作主演警匪剧《危情24小时》，在剧中饰演精明干练、经验丰富的反恐特警方进。

2005年，与刘烨、左小青、黄觉合作主演刑侦剧《一针见血》 ，在剧中饰演女主角樊丹的弟弟樊东。

2006年，与王宝强、陈思成、段奕宏合作主演青春励志剧《士兵突击》，在剧中饰演坚持自己的原则、充满希望和乐观的少校吴哲，这是他与段奕宏继《刑警本色》后的再度合作；同年，出演有张涵予、邓超、廖凡主演的战争题材电影《集结号》，在片中饰演解放军干事刘干事。

2007年，与罗德元、黄轩、郑罗茜合作主演剧情电影《地下的天空》，在片中饰演矿工宋大明；同年，与王斑、嵇波、李东翰合作主演警匪悬疑剧《绝密押运》，在剧中饰演80后押运兵陶涛；同年，与国丽娜、齐奎合作主演数字电影《极限救援》，在片中饰演乐于助人、豪爽直率的出租车司机刘武塑。

2008年，与葛优、邬君梅、段奕宏合作主演桃色喜剧电影《桃花运》，在片中饰演老实善良且带点傻气的酒店厨师关祥，与小宋佳饰演一对情侣；同年月，凭借电影《极限救援》获得“第11届上海电影节传媒大奖”最具潜力新人奖。

2009年，与廖凡、张译、杨烁合作主演抗战剧《生死线》，在剧中饰演宁守备团的上尉副官龙文章；同年10月，凭借电影《极限救援》入围“第37届国际艾美奖”最佳男主角奖；同年，与徐帆、张静初、陈道明合作主演灾难电影《唐山大地震》，在片中饰演女主角方登的弟弟方达。

2010年，与刘烨、陈坤、张嘉译合作主演历史电影《建党伟业》，在片中饰演张国焘，这是他首次出演历史人物；同年，与小宋佳、杨立新、霍思燕合作主演家庭情感剧《风车》（原名《我和我的小姨》），在剧中饰演做人真诚、做事讲义气的男主角梁尘，同年，与陈思诚、张译、杨幂合作主演都市情感剧《北京爱情故事》，在剧中饰演个性格温和、无欲无求的男主角吴狄，与此同时李晨还担任了该剧的监制；同年10月，出版个人首本文学作品《晨光倒影》。

2011年3月，凭借电影《唐山大地震》获得“第五届娱乐大典”年度电影飞跃人物大奖 ；同年，与李雪健、陶虹、奚美娟合作主演公益电影《杨善洲》，在片中饰演男主角杨善洲的得力助手周波；同年，与郑伊健、于波、周渝民合作主演古装电影《忠烈杨家将》，在片中饰演杨四郎，这是他首次出演古装电影；同年，与马伊琍、尤勇合作主演年代情感剧《风和日丽》，在剧中饰演刚毅正直、深情专一的军官刘世军；之后，他还出演了赵宝刚执导的都市情感剧《北京青年》，在剧中饰演经济学硕士何东。

2012年，与张译、高捷、张殿伦合作主演近代革命剧《好家伙》，在剧中饰演海滩一帮派老大屠先生一力培养的接班人时光；同年5月，福布斯中国名人榜公布，李晨首次上榜，位列第56名；同年8月，凭借电影《唐山大地震》获得“第31届大众电影百花奖”最佳男配角奖的提名。

2013年，与霍思燕、于越、杜江合作主演当代励志剧《草帽警察》，在剧中饰演心地善良温和、为人稳重踏实的男主角刘五四 ；同年，与靳东、潘虹、高鑫合作主演医疗剧《到爱的距离》，在剧中饰演普外科主任李睿；之后，他还客串了刘烨、陈宝国主演的近代战争剧《北平无战事》，在剧中饰演齐慕堂；同年，与蓝盈莹、安宇、李郁文合作主演微电影《致父亲》，在片中饰演身为摄影师的男主角王浩然；同年8月25日，其主演的微电影《因情圆缺2：代理相亲》在北京举办了首映礼；同年8月29日，李晨赴美国拍摄由搜狐视频制作的音乐旅行真人秀节目《唱游天下第二季》。

2014年，李晨参加浙江卫视大型户外竞技真人秀《奔跑吧兄弟》的录制，与此同时他还出演了《奔跑吧兄弟》的电影版；同年，与范冰冰、张丰毅、李治廷合作主演古装宫廷剧《武媚娘传奇》，在剧中饰演女主角武则天青梅竹马的情人李牧。

2015年3月28日，其主演的都市情感剧《天使的城》在浙江卫视、江苏卫视播出，在剧中饰演热情仗义的出租车司机李飞翔；同年4月2日，其主演的电影《咱们结婚吧》上映，在片中饰演热情奔放、敢爱敢恨的音乐专业生李想；

同年8月5日，其主演的抗战剧《秀才遇到兵》在江苏卫视、北京卫视播出，在剧中饰演机智过人、满腹经纶的男主角龙千言；同年10月21日，其主演的《三个奶爸》在浙江卫视、深圳卫视播出，在剧中饰演男主角余峥。

2016年1月7日，与黄晓明、Angelababy、海清成为首批加入星光公益联盟的明星，并获得“推动公益影响”奖项；之后，与，吴秀波、刘涛、张钧甯合作主演古装剧《军师联盟》，在剧中饰演魏文帝曹丕；同年3月，获得“第18届华鼎奖”中国最佳电视剧男演员奖；同年12月3日，获得“爱奇艺尖叫之夜”年度最受观众喜爱电视剧演员奖。

2017年3月，被聘任为了中国电视艺术家协会演员工作委员会理事；同年，执导并主演现代空战题材电影《空天猎》；11月22日，获得第14届MAHB年度先生盛典年度新锐导演奖；12月，加盟中央电视台综艺频道的文博探索节目《国家宝藏》，担任“国宝守护人”。7日，继续出演古装剧《虎啸龙吟》。

2018年，与王千源、杨采钰等联合主演悬疑剧《七日·生》，在剧中饰演李晓宇；9月2日，《中国影视明星社会责任研究报告（2017-2018）》发布，李晨位居第七名；12月18日，获得中国时尚权力榜年度守望者大奖。

2019年7月2日，其参加的腾讯视频全明星篮球竞技真人秀节目《超级企鹅联盟Super3:星斗场》首播。