2010年3月，李钟硕参演律政剧《检察官公主》，以演员身份正式出道。9月，他出演了由金恩淑编剧的浪漫爱情剧《秘密花园》，饰演清高冷傲的音乐人韩泰善。

2011年，在情景喜剧《high kick 3短腿的反击》中饰演曲棍球选手安钟硕。

2012年5月，与河智苑、裴斗娜合作出演体育励志电影《朝韩梦之队》，饰演有着很强胜负心的朝鲜乒乓球队员崔京燮。6月，担任SBS音乐节目《人气歌谣》的固定主持人。8月，在空战动作电影《R2B：返回基地》中饰演战斗飞行员池锡贤。12月，主演校园剧《学校2013》，饰演看似冷漠却怀抱愧疚之心的高南舜，凭借该剧获得KBS演技大赏男子新人演技奖。

2013年6月，李钟硕首次担纲男主角，搭档李宝英主演奇幻爱情剧

《听见你的声音》，饰演能够听见人心声的超能力少年朴修夏，该剧收视率最高达26.2%，平均收视率夺得水木剧年度收视冠军；他亦凭借该剧获得第21届韩国文化演艺大赏最优秀男演员奖、SBS演技大赏优秀男演员奖等多个奖项，并入围第50届百想艺术大赏电视部门最佳男演员奖。9月，与宋康昊、李政宰、金惠秀合作出演古装电影《观相》，饰演有着远大抱负的悲情人物金进珩，该片票房突破900万观影人次。10月，在体育励志电影《No Breathing》中饰演具有冷酷魅力的游泳天才郑宇相。12月，名列韩国盖洛普最闪耀的电视剧演员第五位。

2014年1月，携手朴宝英主演电影《热血青春》，饰演传说中的情圣姜仲吉。5月，主演医疗谍报剧《Doctor异乡人》，饰演拥有天才医术的脱北医生朴勋，该剧播出后夺得同时段收视冠军，后位列月火剧年度收视亚军。11月，与朴信惠合作主演职业爱情剧《匹诺曹》，饰演有着超强记忆力的社会部记者崔达布，该剧位居同时段收视冠军，并以每集28万美元的价格向中国视频网站出售版权，在该平台首轮播出的点击率超过10亿次；他亦凭借该剧获得第27届画梅奖最佳男演员奖和第8届韩国电视剧大赏最优秀男演员奖。

2015年2月，获得英语圈韩流网站Soopmi评选的第10届Soompi Awards 2014 最佳男演员，该奖项由喜爱韩流的139个国家的2300万余名粉丝共同投票参与。3月，名列福布斯韩国名人榜第十二位。5月，获得第51届百想艺术大赏电视部门人气男演奖。10月，获得由韩国政府颁发的第6届韩国大众文化艺术奖国务总理表彰奖。

2016年1月，个人蜡像入驻香港杜莎夫人蜡像馆，成为馆内的第四位韩国明星。2月，首次出演中国电视剧，与郑爽合作主演年代爱情剧《翡翠恋人》，饰演驰骋在黑白两道、具有多重性格的年轻海归白洛寒。5月，正式签约YG Entertainment。7月，携手韩孝周主演悬疑爱情剧《W-两个世界》，饰演存在于漫画中的主人公——奥运射击冠军、韩国最年轻的超级财阀姜哲，凭借该剧获得MBC演技大赏迷你剧部门男子最优秀演技奖和最高大赏；该剧播出时位居同时段收视冠军，后位列水木剧年度收视季军。

2017年8月，首次挑战反派角色，主演由朴勋政执导的犯罪电影《V.I.P.》，饰演连续犯下跨国杀人案而被各国警方追捕的朝鲜高官之子金光日。9月，搭档裴秀智主演奇幻悬疑爱情剧《当你沉睡时》，饰演为阻止噩梦成为现实而孤军奋战的检察官丁宰璨，并演唱插曲《Come To Me》和《你是否知道》。

2018年11月，出演独幕剧《死之咏赞》（又名：死之赞美），根据1926年自杀身亡的第一个女高音歌唱家尹心悳与她的爱人金祐镇的故事改编，李钟硕饰演诗人金祐镇。

2019年1月，携手李娜英出演tvN电视台爱情喜剧《浪漫是别册附录》，该剧讲述出版行业工作人员们的故事，李钟硕饰演的天才作家，同时也是出版社最年轻主编车恩浩。