2007年，李媛出道前，是瑞丽杂志模特，2009年成为《VOUGE》杂志模特。2010年成为《时尚芭莎》杂志的模特。

2011年，李媛亮相大银幕，她与李晨、董璇合作主演了电影版《奋斗》，并在片中饰演了“杨晓芸” 。同年，李媛出演了个人的第一部影视剧作品，她与陈柏霖、陈意涵合作主演了青春励志摩登时尚剧《摩登新人类》，李媛在剧中饰演了中性打扮、小机车、个性独立的帅气美女沈蔷。并同时担当胡彦斌《一万光年》MV上线女主角。

2012年，出演由滕华涛担任总导演、曹盾指导30集电视剧《时尚女编辑》剧中，李媛饰演的大野模葛一青跟祖峰饰演的艾崇文是一对“暴力情侣”。

2013年，由刘心刚执导，黄觉、王子文、李媛等联袂主演的都市情感励志轻喜剧《棋逢对手》登录河北卫视、厦门卫视，在剧中饰演气质出众的职场达人桑可柔。

2014年，李媛《迷失曼谷》首演女鬼扮演电影中的灵魂人物—安晓晨，从一个时尚、大气、稳重、闪着光芒的设计总监到复仇女鬼。

2015年，李媛出演《滚蛋吧！肿瘤君》李媛在片中饰演熊顿“同居病友”兼“卤蛋”好姐妹 。同年，在时尚星秀年度星秀人物盛典的晚会中，获得了年度最具潜力女演员奖。

2016年，李媛出演陆可执导，杜江、薛凯琪、余心恬主演的都市奇葩喜剧《高跟鞋先生》，定档2.12上映；5月，搭档韩庚、凤小岳、山下智久，拍摄由李海龙执导的电影《解码者》，饰演一位内冷外热的杀手，预计于2017年年底上映；5月，凭借在电影《滚蛋吧！肿瘤君》中的出色表现获得了第三十三届大众电影百花奖最佳女配角候选提名。参演的玄幻古装电视剧《仙剑云之凡》开播；9月7日，李媛凭借《滚蛋吧！肿瘤君》中深入人心的夏梦一角，用实力拿下了“第20届华鼎奖最佳女配角”奖；12月2日，李媛与大卫·贝尔、陈赫、肖央以及李淳等人联袂出演的动作喜剧电影《超级快递》上映，片中李媛饰演一个活在爱里的小女人娜娜。

2017年，李媛主演由企鹅影视、公安部金盾影视文化中心、明日传奇影业联合出品，方芳任总制片人，张萌、李洪亮、聂闻任制片人，赵冬苓任编剧、管虎监制，谭嘉言执导的女性探案题材电视剧《冷案》 ；7月19日，电影《绣春刀：修罗战场》上映，李媛饰演的丁翀因雌雄莫辨的扮相，充满爆发力的武打动作获得观众好评；10月，电影《情遇曼哈顿》全国公映，李媛在片中饰演一个性格火辣仗义的设计师方虹。

2019年6月，李媛出演《长安十二时辰》饰演鱼肠。

2019年11月，李媛出演由钟少雄执导的女性军事题材电影《中国兵王之绝密任务》。