1999年，因为在河南艺术职业学院期间成绩不错，直接被保送进了中央戏剧学院。大二时，父母所在的煤矿倒闭，五千多人集体下岗，生活断了来源。为了缴纳学费，李光洁努力学习争取拿到奖学金，每次开学，李光洁都先把三分之二的钱换成饭票，避免自己乱花钱。
2001年，主演由张黎执导的近代剧《走向共和》，在剧中饰演清朝第11代皇帝爱新觉罗·载湉，这也是他的首部影视作品。2002年，他还出演了都市爱情剧《各就各位》。
2003年，与焦晃、左小青合作出演古装剧《乾隆王朝》播出；同年，与邢佳栋合作出演的爱情剧《都市第五季》播出；此外，他还与王学圻、刘蓓等人合作主演了战争情感剧《军人机密》，在剧中饰演性格内向又非常倔强的张根生（贺仪生）。
2004年，与段奕宏、汤唯等人合作主演现代剧《红旗渠的儿女们》，在剧中饰演宁霄雅的同学肖风；同年，主演陈家林执导的古装剧《大清风云》，剧中饰演性格张扬、任性冲动、跋扈的豫亲王多铎，这也是他首次出演反派人物；10月15日，李光洁与归亚蕾、朱旭、斯琴高娃合作出演的抗争剧《沧海百年》播出；12月，与段奕宏合作主演的剧情剧《记忆的证明》播出，他在剧中饰演劳工夏明远。
2005年，主演的历史悬疑谍战剧《密令1949》开播，李光洁在剧中饰演机警、成熟的公安战士焦志新。
2006年，在爱情战争剧《特殊使命》中饰演地下工作者巩向光和巩渭平；同年，与张铁林合作主演古装传奇剧《北魏冯太后》，他在剧中饰演北魏文成帝拓跋浚。
2007年，主演的古装剧《越王勾践》播出，在剧中饰演敢于和勾践据理力争、也敢于挑战勾践的臣子范蠡；随后，在都市悬疑剧《柳叶刀》中饰外科大夫李肖一；此外，他还主演了顾长卫执导的剧情片《立春》，在片中饰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，主演抗战剧《杀虎口》，在剧中饰演拥有浪漫主义情怀的革命战士白朗；6月15日，主演抗日战争题材影片《盘尼西林·1944》在上海首映，李光洁在片中饰演地下游击队员慕容轩；9月24日，与刘烨合作出演现代剧《我们生活的年代》，在剧中饰演衣食无忧、性格乐观而开朗、重情重义的富少赵家乐。
2009年，出演的神话剧《宝莲灯前传》在央视八套的首播；同年，与舒畅联袂主演商战剧《无量天》，在剧中饰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日，在谍战剧《谍影重重之上海》中饰演中共上海情报局人员向亦鹏；9月17日，与万茜、姚安濂联袂主演的抗日谍战片《浴血记者》播出，在剧中饰演热衷于报道真相，挖掘内幕，化笔为枪的上海有名娱乐记者冷言；10月30日，与郝蕾、高云翔合作主演的都市情感剧《当爱已成往事》播出，在剧中饰演亦正亦邪的卫国。
2010年，主演的都市情感剧《寻人启事》在沈阳电视台影视频道播出，他在剧中饰演外表强悍，却内心敏感，特别重感情的草根青年高原；7月22日，与王珞丹合作主演励志剧《杜拉拉升职记》播出，他在剧中饰演DB大客户部销售总监王伟；12月20日，与秦丽合作主演的年代情感剧《黄河古镇》播出，在剧中饰演孟岸的父亲孟祥河；同月27日，出演的年代情感剧《老马家的幸福往事》播出。
2011年，主演的空军题材电影《歼十出击》在中国内地上映，他在剧中饰演对事业认真，对部下关心的飞行师副师长印双虎；同年，与佟丽娅联袂主演都市情感剧《我的经济适用男》，李光洁在剧中饰演对爱执着的IT男陈启中；此外，他还参演了抗战剧《光荣使命》；同年，与谢霆锋合作出演青春励志剧《下一个奇迹》；11月20日，执导首部微电影《幸福速递》，并获年度“触电”竞赛单元最佳剧情短片奖以及在首届玛克思未来影像季中获得“最佳微电影”，“最佳导演”提名。
2012年，与郑秀文、古天乐合作出演文艺爱情片《高海拔之恋2》；3月12日，与王珞丹主演的爱情剧《山楂树之恋》在江苏卫视播出，李光洁凭借在剧中饰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；同年，客串都市情感剧《北京青年》，饰演丁香念念不忘的前男友沈昌。
2013年，李光洁与陈思成合作出演抗战剧《战神》；同年，参加网剧《美人季》，随后，执导微电影《伴你高飞》；4月18日，出演的警匪电影《毒战》上映，他在影片中饰演广东缉毒警陈志雄。
2014年，与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，在剧中饰演外表俊美、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；同年，主演中国版话剧《罗密欧与朱丽叶》；8月，主演都市情感剧《酷爸俏妈》，在剧中饰演事业有成的装饰装潢公司老板孙大雷；同年11月，与张檬、倪大红等人合作主演都市情感剧《百炼成爹》；此外，他还参演了陆川执导的灾难探险片《九层妖塔》，在片中饰演794局长陈九阳；12月6日，12月6日，出演的当代都市剧《团圆饭》播出，他在剧中饰演废柴大哥宋一达。
2015年，与殷桃、吴秀波合作主演的民国剧《大道通天》播出，在剧中饰演忠义商人吴皖忠；5月，客串搜狐网络剧《屌丝男士4》；同年8月，与朱丹、谢园合作主演情感剧《八九不离十》，在剧中饰演爱吹牛、好面子，在船厂工作的李善军；11月，与张睿、倪大红等人合作主演红色剿匪剧《林海雪原》，在剧中饰演有着“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，搭档陈伟霆、胡军参演魔幻电影《战神纪》饰演勇猛果敢的草原王“札木合”；8月11日，主演的警匪动作片《使徒行者》正式上映，在片中饰演狠毒的神秘人董先生；同年，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；此外，出演奇幻喜剧爱情片《二代妖精之今生有幸》，在片中饰演妖界重要人物云中鹤；同年，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》；此外，参演的悬疑电影《抓猴》上映。
2017年，出演的武侠电影《刀背藏身》上映。
2018年，与陈数、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，在剧中饰演破案无数，手腕强硬，性情难测，亦正亦邪的铁血警长窦仕骁；3月12日，主演的都市剧《梦想合伙人》播出，在剧中饰演魏文彬、贾磊的合伙人关晓春。
2019年，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日，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日，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日，主演的剧情电影《雪暴》上映，李光洁在片中饰演森林警察韩晓松；7月16日，与刘昊然、宋祖儿等合作主演的古代传奇剧《九州缥缈录》播出，在剧中饰演东陆一代名将息衍；9月9日，与费启鸣、孙千合作主演的青春校园情感剧《我在未来等你》播出，在剧中饰演对人生不满的大学老师郝回归；9月23日，主演的年代剧《激情的岁月》在中央电视台综合频道首播，他在剧中饰演科研工作者王怀民。
2020年，参加2020央视国庆晚会《“中国梦·祖国颂”——2020国庆特别节目》，与王鸥、蒋欣、郭晓东合唱歌曲《风雨无阻向前进》。10月31日，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日，主演的时代报告剧《石头开花》播出，在剧中饰演了梁启。
大江大河2 2020 饰演路小第 导演李雪、黄伟 主演王凯、杨烁
起跑线 2020 饰演奚彬 导演陈昆晖 主演刘涛
石头开花2020-11-17 饰演梁启 导演徐宗政 主演郑云龙
激情的岁月2019-09-23 饰演王怀民 导演白涛、黄楠 主演高露、李健、徐晓璐
我在未来等你2019-09-09 饰演郝回归 导演薛凌、张超理 主演费启鸣、孙千、辛云来
遇见幸福2019-08-27 饰演司问渠 导演梦继 主演蒋欣
九州缥缈录2019-07-16 饰演息衍 导演张晓波 主演刘昊然、宋祖儿、王鸥
悍城2018-10-18 饰演珞珈
如懿传2018-08-20 饰演玉氏王爷 导演汪俊 主演周迅、霍建华、童瑶、辛芷蕾
梦想合伙人2018-03-12 饰演关晓春 导演蒋家骏
和平饭店2018-01-25 饰演窦仕骁 导演李骏、白涛 主演陈数、雷佳音
老男孩 2018 饰演小岳 导演刘俊杰 主演刘烨、林依晨、雷佳音
林海雪原2017 饰演杨子荣/胡彪 导演金姝慧 主演张睿、刘婧、倪大红
八九不离十2016-03-26 饰演李善军 导演刘二威 主演朱丹
屌丝男士42015-05-20 饰演客串 导演大鹏 主演大鹏、柳岩
酷爸俏妈2015-04-13 饰演孙大雷 导演丁黑 主演佟丽娅、朱锐、赵子琪
幸福起航 2015 饰演钱途 导演刘国权 主演张檬、杨立新
老婆大人是80后 2015 饰演方晓宇 导演刘进 主演李小冉、杜淳、张嘉译
绝爱2014-06-26 饰演林启正 导演俞钟 主演张歆艺
战神2013 饰演张道平 导演陈浩威、国建勇 主演陈思成、杜淳、严宽
美人季2013 饰演客串 导演戴睿 主演袁文康
北京青年2012 饰演沈昌 导演赵宝刚 主演张俪、李晨、杜淳
山楂树之恋2012 饰演孙建新 导演李路 主演王珞丹
团圆饭2012 饰演宋一达 导演徐纪周 主演马苏、李健
找北2012 饰演关晓春 导演蒋家骏 主演高露、刘天佐、袁文康
我的经济适用男2011 饰演陈启中 导演蒋家骏 主演佟丽娅、杜淳、高露
下一个奇迹2011 饰演潘副总 导演梁修身、梦继 主演谢霆锋、张卫健、韩雨芹
大道通天2011 饰演吴皖忠 导演吴皖忠 主演殷桃、吴秀波
光荣使命2011 饰演肖天宇 导演陈浩威 主演王挺
黄河古镇2010 饰演孟祥河 导演李伟 主演温兆伦、傅晶、吴冕
老马家的幸福往事2010 饰演刘坤 导演杨文军 主演六月
杜拉拉升职记2009 饰演王伟 导演陈铭章 主演王珞丹、叶童、李彩桦
无量天2009 饰演郭乘风 导演余明生 主演刘冠翔、鲍国安、舒畅
当爱已成往事2008 饰演卫国 导演梦继 主演高云翔、郝蕾、谭涛
浴血记者2008 饰演冷言 导演杨文军 主演万茜、姚安濂
杀虎口2008 饰演白朗 导演徐纪周 主演郭凯敏、陶泽如、张磊、陶蓉、唐于鸿
寻人启事2008 饰演高原、朗涛 导演范秀明 主演贾青
谍影重重之上海2008 饰演向亦鹏 导演黄文利 主演秦海璐、廖凡
宝莲灯前传2007 饰演杨天佑 导演余明生 主演刘涛、焦恩俊、周扬、刘晓庆
我们生活的年代2007 饰演赵家乐 导演张建栋 主演刘烨、沙溢、赵子琪、李倩
雪暴2019-04-30 饰演韩晓松 导演崔斯韦 主演张震
流浪地球2019-02-05 饰演王磊 导演郭帆 主演吴京
战神纪 2018-04-28 饰演札木合 导演哈斯朝鲁 主演陈伟霆、林允、胡军
二代妖精之今生有幸2017-12-29 饰演云中鹤 导演肖洋 主演冯绍峰、刘亦菲、郭京飞
使徒行者 2016-08-11 饰演董先生 导演文伟鸿 主演张家辉、古天乐、吴镇宇、佘诗曼
九层妖塔 2015-10-01 饰演韩九阳 导演陆川 主演赵又廷、姚晨
毒战2013 饰演陈志雄 导演杜琪峰
车手2012 饰演谭一 导演郑宝瑞
高海拔之恋Ⅱ2012 饰演小田 导演杜琪峰
抓猴2011 导演徐克
歼十出击2011 饰演印双虎 导演宁海强
爱情36计2010 饰演医生 导演吴兵
盘尼西林·19442008-06-15 饰演慕容轩 导演孔刚
立春2007 饰演黄四宝 导演顾长卫 主演蒋雯丽
2007年12月28日李光洁参加在北京举行的由中国青少年发展基金会主办的第二届“百年爱心圣诞慈善晚会”，作为为希望工程助学教育筹款的慈善活动，晚会拍卖及募捐的善款都将用于在京的贫困农民工子弟的免费教育。
2018年4月22日，李光洁与西尔维亚·厄尔博士（Dr. Sylvia Earle）、摄影师大卫·杜比勒（David Doubilet）以及壮美极境联合发起“壮美极境——海洋公益影像巡展”。
2020年2月，演唱文艺界抗击疫情主题MV《坚信爱会赢》；同年，担任腾讯视频抗疫特别制作版读信节目《见字如面·特别制作》的读信嘉宾。
李光洁是一个勤奋的演员，靠努力勤奋在业内受认可（袁飞宇评），在电影方面发展比较缺少的他给人的印象就是电视剧演员（搜狐娱乐）。
因为外在形象硬朗中带着忧郁，有着很强的可塑性（新浪评），也可称之为“零人设演员”，从《山楂树之恋》里专情又完美主义的老三、《走向共和》里受控于慈禧却拒和主战的光绪帝，到《林海雪原》的杨子荣，这些角色身上观众找不到任何的定式，没有所谓的人设在李光洁身上，只有李光洁对角色的努力和喜爱。生活中的李光洁是个享慢主义者，潜水、摄影，这些与时间不慌不忙交好的个人爱好是他更好的感受表演、成就角色的原动力。（新浪、网易评）
