2001年在古装战争电视剧《走向共和》中饰光绪皇帝。同年与焦晃、左小青合作在电视剧《乾隆王朝》中饰演沈修儒。

2002年李光洁与段奕宏合作参加电视剧《记忆的证明》的拍摄在剧中饰演劳工夏明远。同年在生活爱情故事《各就各位》中饰演钟灵。

2003年李光洁与邢佳栋合作在现代爱情喜剧《都市第五季》中饰演欧克。同年与归亚蕾、朱旭、斯琴高娃合作在古装电视剧《沧海百年》中饰演恭亲王奕欣。同年参加爱情战争电视剧《军人机密》的拍摄在剧中饰演性格内向又非常倔强的张根生（贺仪生）。

2004年李光洁与陈思成、段奕宏、汤唯、王宝强合作出演电视剧《红旗渠的儿女们》在剧中饰演肖风。同年携手张丰毅、许晴、孙淳合作在古装电视剧《大清风云》中饰演多铎。同年搭档赵子琪合作在电视剧《录像带》中饰演沙杰。

2005年参加大型历史剧《越王勾践》的拍摄在剧中饰演范蠡。同年参加电视剧《密令1949》的拍摄在剧中饰演机警、成熟的公安战士焦志新。

2006年在爱情战争电视剧《特殊使命》中饰演一个地下工作者巩向光（巩渭平）。同年与张铁林合作在大型历史剧《北魏冯太后》中饰演北魏文成帝拓跋浚。

2007年在都市悬疑大戏《柳叶刀》中饰外科大夫李肖一。同年于焦恩俊合作在神话剧《宝莲灯前传》中饰演杨天佑。同年与刘烨合作出演现实主义力作《我们生活的年代》在剧中饰演天真、仗义的赵家乐。同年参加了电影《立春》的拍摄在剧中饰演黄四宝。

2008年参加纯爱大剧《当爱已成往事》的拍摄在剧中饰演亦正亦邪的卫国。同年出演都市生活剧《寻人启事》饰演草根青年高原。同年与万茜、姚安濂联袂主演了抗日谍战片《浴血记者》在剧中饰演冷言（周逸萍）。同年出演抗战题材的电视剧《杀虎口》饰演拥有浪漫主义情怀的革命战士白朗。同年在谍战电视剧《谍影重重之上海》中饰演中共上海情报局人员向亦鹏。同年出演谍战电影《盘尼西林·1944》在剧中饰演慕容轩。同年2月，李光洁凭借在《特殊使命》里出演巩向光，获得2007年新浪第四季度电视剧最佳男演员。同年6月再次凭借在《特殊使命》里出演的巩向光，获得获第十四届上海电视节白玉兰奖最佳男演员提名奖。

2009年李光洁与王珞丹合作出演了电视剧《杜拉拉升职记》在剧中饰演职场新贵王伟。同年与舒畅联袂出演大型商战剧《无量天》在剧中饰演郭乘风。同年7月，凭借电视剧《杀虎口》和《柳叶刀》里成功出演身份、背景和性格迥异的武工队长白朗和心外科主任李肖一，被评为搜狐电视剧季评09第二季最受欢迎男演员。同年8月在第十二届电影表演艺术学会举办的“金凤凰奖”颁奖典中获得金凤凰奖。

2010年出演年代情感剧《老马家的幸福往事》在剧中饰演刘坤。同年与秦丽合作出演年代情感剧《青城缘》在剧中饰演孟祥河。同年6月凭借电视剧《杀虎口》中出演白朗，获第十六届上海国际电视节白玉兰奖最佳男演员提名奖。同年11月13日第三届华鼎奖在太原举行，凭借《杜拉拉升职记》中饰演的王伟，获偶像励志剧最佳男演员奖。同年12月30日，在“大戏看北京”年终盘点颁奖晚会上，再次凭借《杜拉拉升职记》里塑造的王伟，摘得“马首奖”；同月31日，在国剧盛典颁奖晚会上，李光洁再次凭借《杜拉拉升职记》里的王伟，成功完成了不同角色转换之间的飞跃，荣获组委会颁发的“飞跃奖”。

2011年李光洁与佟丽娅联袂主演都市情感大剧《我的经济适用男》剧中李光洁饰演对爱执着的IT男陈启中。同年参加抗战大戏《光荣使命》的拍摄在剧中饰演肖天宇。同年与谢霆锋合作出演电视剧《下一个奇迹》在剧中饰演潘副总。同年与吴秀波合作出演年代大戏《大道通天》饰演醉孚祥少东家吴皖忠。同年执导微电影《幸福速递》，并获2011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”和“最佳男演员”三项提名。同年出演电影《歼十出击》在剧中饰演印双虎。同年参加了3D惊悚电影《抓猴》的拍摄。同年1月8日，在中国影响2010时尚盛典上，荣获“最美年度视界之星大奖”。同年3月18日，东方影视盛典揭晓，因为塑造了电视剧《杜拉拉升职记》里的外企金领王伟，获得2010年度电视剧最具突破价值男演员。同年8月19日，《风尚志》五周年庆典中李光洁荣获年度风尚偶像明星。同年8月23日，《大周末hotspot》四周年庆典在北京今日美术馆举办，李光洁受邀出席并获得了“传媒推动”大奖。

2012年李光洁与王珞丹联袂主演电视剧《山楂树之恋》在剧中饰演老三并凭借此角色在第二届乐视影视盛典上获“电视剧飞跃进步演员”奖。2012年在情感大戏《第三种爱情》中饰演林启正。同年参加当代都市大剧《找北》的拍摄在剧中饰演关晓春。同年在电视剧《北京青年》中客串丁香念念不忘的前男友沈昌。同年参加电视剧《团圆饭》的拍摄在剧中饰演男一号宋一达。同年参加飞车电影《车手》的拍摄在剧中饰演谭一。同年出演电影《高海拔之恋Ⅱ》饰演小田并凭借此而获得“电影最具实力演员”奖。同年5月22日，在MSN2012时尚夜上获得“星月年度当红演员”。同年9月26日，摄影作品获《国家地理》全球摄影大赛中国区华夏典藏奖。

2013年李光洁与陈思成合作出演战争偶像大剧《战神》在剧中饰演张道平。同年参加网剧《美人季》的友情出演。同年执导微电影《伴你高飞》兼任监制与旁白。同年在警匪电影《毒战》中饰演广东缉毒警陈志雄。同年5月11日，获中国现代时尚20年颁奖盛典“中国现代时尚明星”奖。

2014年李光洁搭档佟丽娅、朱锐、赵子琪主演都市情感剧《酷爸俏妈》，剧中饰演孙大雷。