高中毕业，父亲让李东学考军校，他不从，考了当时的计算机系。毕业时，恰逢第一轮互联网泡沫破灭，中关村挤满了找工作的计算机系毕业生。无路可投的他一边在新东方学英语，一边偷偷报考了北京电影学院，参加了两次高考的李东学进入电影学院后还是有点心虚，所以在上电影学院的第二年，李东学就拍了很多广告，收入体面，然后拍了自己的第一部戏，并时不时给父母贴补一些家用。
2007年，李东学与杨幂、寇世勋等人合作出演古装剧《大秦直道》，在剧中饰演俊朗阳刚的蒙毅将军，从而正式进入。
2008年，李东学与何润东、胡歌、彭于晏等人共同出演的古装传奇剧《少年杨家将》在安徽卫视上星播出，他在剧中饰演杨大郎杨延平。
2009年，出演电影《大内密探灵灵狗》。
2010年，出演的古装武侠片《赵氏孤儿》上映，李东学在片中饰演春秋时期晋国正卿赵盾的车右提弥明。
2011年，与赵文瑄、李冰冰合作出演的辛亥革命百年纪念电影《辛亥革命》上映，他在片中饰演性格正直不阿的醇亲王、监国摄政王爱新觉罗·载沣。
2012年，与孙俪、陈建斌、蔡少芬等人合作出演的清装宫廷剧《甄嬛传》在安徽卫视和东方卫视上星播出，李东学在剧中饰演雍正皇帝的十七弟爱新觉罗·允礼，李东学个人也凭借该剧获得了国剧盛典年度最佳新人奖；5月30日，参加在中国政法大学举行的第二届北京高校联合电影节闭幕式暨颁奖典礼，并为获奖演员颁发最佳男演员奖；7月30日，与杨幂、孙坚联袂主演的民国爱情剧《刁蛮新娘》上星播出，李东学在剧中饰演温文尔雅、俊朗飘逸的戴问天；10月14日，主演的励志片《许海峰的枪》上映，他在片中饰演的许海峰，曾2次获得省射击比赛冠军，后进入国家队参加洛杉矶奥运会，以第一名的成绩获得金牌，他也凭借该剧获得第14届中国电影表演艺术学会奖（金凤凰奖）新人奖；同年，他还与崔智友搭档主演了都市时尚剧《城市恋人》，在剧中饰演丁遇锋的哥哥丁默。
2013年，主演的年代传奇剧《第九个寡妇》上星播出，他在剧中饰演葡萄的初恋孙少勇。2014年5月22日，与李念、毛俊杰联袂主演的都市情感剧《纸婚》播出，他在剧中饰演性格内敛严谨的公务员管桐；8月5日，与殷桃合作主演的都市情感剧《假如幸福来临》在安徽卫视上星播出，在剧中饰演高富帅罗成；8月7日，与张震、王千源、刘诗诗等人合作主演的武侠片《绣春刀》上映，李东学在片中饰演单纯率性的靳一川；随后，他也凭借该片获得第二届中澳国际电影节最佳男配角；10月，与白冰合作主演都市爱情剧《无声恋曲》，他在剧中饰演娱乐记者林颂凡；同年，他凭借电影《许海峰的枪》获得英国雅典娜艺术奖最佳男主角奖。
2015年，李东学与林心如、猪哥亮共同出演的贺岁喜剧片《大喜临门》上映，他在片中饰演北京投顾公司总经理高飞；5月9日，为电视剧《抓住彩虹的男人》演唱的插曲《你是我的谁》正式上线；5月26日，主演的年代爱情剧《抓住彩虹的男人》上星播出，李东学在剧中饰演性格温文尔雅的周邵天；12月23日，出席了第30届中国电视剧飞天奖典礼。
2016年，李东学主演的战争动作片《钢刀》上映，他在片中饰演骁勇善战红军连长陈铁金；10月14日，与于小伟、聂远、宋佳伦等人共同出演的战争片《勇士》上映，他在片中饰演红四团团长黄开湘；同年，主演古代传奇剧《包青天》，在剧中饰演刚正不阿的包拯。
2017年，与董璇合作主演的年代爱情剧《探戈》开机，在剧中饰演南京日伪政权驻上海外交司官员叶天纵；10月，与汤晶媚、黑子共同出演的奇幻冒险剧《大夏宝藏》开机，在剧中饰演为保护国家文物、宣扬民族文化而探寻西夏宝藏的热血青年顾耽。2018年，在古装武侠剧《倚天屠龙记》中饰演张无忌之父张翠山。
2019年，与迈克·泰森、安妮克·阿斯克渥德共同出演的商战动作片《中国推销员》上映，他在片中饰演通讯工程师出身的菜鸟推销员严健；4月1日，与张俪合作主演的年代剧《面具背后》在中央电视台电视剧频道播出，李东学在剧中一人分饰二角，分别饰演了民国警探徐继发及其孪生弟弟林奕晨；5月1日，主演的爱情片《下一任：前任》上映，李东学在片中饰演林心恬的学长黄克群；7月15日，与张震、倪妮共同出演的古装神话剧《宸汐缘》播出，他在剧中饰演的山灵族国师景休。
2020年，主演的电视剧《奋进的旋律》在央视播出，他在剧中饰演奋进青年林杰；同年，主演古装悬疑动作电影《长安不良帅》，在片中饰演王玄；9月15日，入围第七届中国电视好演员奖蓝组男演员名单；10月，参演电影《浴血无名川》在天漠开机，在影片中出演一名神枪手。12月5日，八点档，由中央广播电视总台央视综合频道联合央视创造传媒、中国国家话剧院共同推出的大型文化节目《故事里的中国》第二季第七期播出《战“疫”中的青春》，这也是继第四期《钟南山》之后，节目对战“疫”英雄和战“疫”精神的再度致敬，本期节目的戏剧部分，由丁禹兮、王鸥、李东学等年轻演员共同演绎青春群像
奋进的旋律2020-02-10 饰演林杰 导演苏舟 主演张丰毅
宸汐缘2019-07-15 饰演景休 导演林玉芬、梁胜权、任海涛、郭虎 主演张震、倪妮
倚天屠龙记2018 饰演张翠山 导演蒋家骏 主演曾舜晞、陈钰琪、杨明娜
探戈 2017 饰演叶天纵 导演张旗 主演董璇、高云翔、王新
大夏宝藏 2017 饰演顾歌 导演聂军 主演汤晶媚、黑子
城市恋人2016-11-21 饰演丁默 导演李远 主演崔智友、秦昊、张嘉倪
包青天2016 饰演包拯 导演范秀明 主演高钧贤、张芷溪、聂闻远
面具背后2016 饰演徐继发 导演沈雷 主演张俪、林源
无声恋曲2016 饰演林颂凡 导演钟少雄 主演白冰、刘松仁
抓住彩虹的男人2015-05-26 饰演周邵天 导演吴锦源 主演刘恺威、郑爽
假如幸福来临2014-08-05 饰演罗成（罗世亨） 导演邵警辉 主演殷桃、宋春丽、娟子
纸婚2014-05-22 饰演管桐 导演张峰 主演李念、高亚麟
第九个寡妇2012-10-22 饰演孙少勇 导演黄建勋 主演刘佩琦、叶璇
甄嬛传2011-11-17 饰演允礼 导演郑晓龙 主演孙俪、蒋欣、陈建斌
大秦直道2011-08-05 饰演蒙毅 导演萧锋 主演杨幂、寇世勋
刁蛮新娘2010-10-23 饰演戴问天 导演陈启峻 主演杨幂、孙坚、王琳
书剑恩仇录2009-03-20 饰演徐天宏 导演谭友业 主演乔振宇、郑少秋、颖儿
少年杨家将2006-09-26 饰演杨大郎（杨延平） 导演李国立 主演胡歌、彭于晏
勇敢的你 2021
千顷澄碧的时代2020-10-17 饰演芦靖生 导演宁敬武
长安不良帅2020 饰演王玄 导演田宇 主演高维蔓
封神之九曲黄河阵2020 饰演杨戬 导演戴希帆
下一任：前任2019-05-01 饰演黄克群 主演郭采洁、郑凯
老家伙们 2019 导演张峰
谷子地2019 饰演谷子 导演宁海强
牛油果的春天 2018-10 饰演铁三 导演范庆 主演林鹏、陈思成、赫子铭
六年，六天2017-10-17 导演沈东
中国推销员2017-06-16 饰演严健 导演檀冰 主演李艾、迈克·泰森
影视类
2020-9 第七届中国电视好演员奖蓝组男演员 （提名）
2015 第二届中澳国际电影节最佳新人奖 （获奖）
2014 英国雅典娜艺术奖——最佳男演员 许海峰的枪 （获奖）
2013 第十四届中国电影表演艺术学会金凤凰奖新人奖 许海峰的枪 （获奖）
2012 第四届国剧盛典最佳新人 后宫甄嬛传 （获奖）
2012 MSN星月年度最具潜力男明星 （获奖）
在电视剧《甄嬛传》中，李东学对角色虚和实的结合拿捏的非常到位，同时自然平和的演技可圈可点。在电视剧《无声恋曲》中，李东学饰演的林颂眼神犀利到位，完全演出了那种人物质感。（作家流潋紫、郑晓龙、钟少雄评）
在一组写真中，墨镜后的他眼神犀利，硬汉气十足；机车上的他手持香烟，颇有雅痞范儿。而在另一组写真中，李东学无论是身穿复古西装，还是随性毛衣，皆从神态中流露出轻熟男的独特魅力，内敛沉稳，质感十足。（网易娱乐、人民网评）
李东学用多部电视剧证明了他驾驭不同类型角色的能力，也让观众看到了他在电视银幕上的潜力。其次，他的身形、气质也非常符合片中战斗英雄的形象。（导演阿甘评）
