2001年，回国后李多海参加了第71届“春香小姐”选拔大赛，获得了冠军。之后进入演艺圈，出演了一些影视剧的配角，关注度一直不高。

直到2004年，李多海在MBC周末剧《花王仙女》中饰演尹初媛，获得百想艺术大赏最佳女新人奖。

2005年，3月出演电视剧《绿蔷薇》的女主角吴秀儿，12月在洪氏姐妹编剧、全基尚导演的韩剧《我的女孩》中饰演活泼可爱的周幼琳，获封“韩版小燕子”。该剧凭借精彩的剧情被各国各大电视台引进，李多海也因此人气大涨。

2007年，在《Hello，小姐》中饰演良宗家女子李秀荷。获得KBS演技大赏优秀女演员奖，与优秀演技奖女演员。

2008年，在《不汗党》中饰演眼泪女王金达莱。同年8月在《伊甸园之东》中饰演财阀二女儿闵慧琳，原定的女一号，由于更换编剧，多海表示看法：不知从何时开始，每拍完一个镜头都会有罪恶感：“连我都无法理解角色，试问怎么能让观众有共鸣呢？我也知道作为演员，应该对角色负责到底，我想把自己真实的演技表达出来，但是却无法把握剧情未来发展的方向，实在不想就那样一集一集地拿片酬。”最后在官网留言决定辞演。（韩剧采用的是：编剧边写边拍 模式）

2010年，首次出演古装历史剧《推奴》，饰演一个命运如春香般的女子，虽然身为女奴，但却果断勇敢、靓丽可人。《推奴》自开播以来收视率一路飙升，占据着水木剧收视冠军的位置。同年李多海成为韩国宣传短片《一日物语》的女主角。

2011年，在MBC月火剧《再见雷普利小姐》中饰演张美里。

张美里本来只是一个陪酒小姐，却靠伪造学历谎称东京大学毕业而逆转了人生。出色的演技，荣获得第19届大韩民国文化演艺大赏——最优秀演技奖。该剧也被粉丝公认是李多海最具有代表作之一。

2012年，搭档郑元畅主演内地偶像剧《爱的蜜方》，饰演带着侄子坚强生活并走上厨师之路的乔之夏。该剧于2012年8月13日在湖南卫视金鹰独播剧场上映，首播当天收视率突破1，单集收视率高达1.321，收视较此前两周提升35%。在湖南首次启用的央视索福瑞全国网收视组中，《爱的蜜方》在全国网收视更超中心城市组，全国收视率1.35%，收视份额4% 。学习了多年中文的水平让她基本对话相当流利，剧中完全自己念对白。并在第三届乐视影视盛典，荣获年度电视剧亚太地区最具人气女演员奖，发表感言：在中国就像在自己的国家一样亲切。”

2013年，在KBS的谍战剧《IRIS2》中，饰演手枪射击冠军出身的NSS小组成员池秀妍。这也是和张赫继《不汗党》、《推奴》后的第三次合作。

2014年，搭档李栋旭主演MBC周末剧《Hotel King》，这是两人继2005年《我的女孩》后再度合作。李多海发表终映感受：虽然阿莫奈感情戏很多，但却是给我带来了很多幸福感的角色。电视完后，身为阿莫奈的时光应该成为我珍贵的回忆，也谢谢工作人员和喜欢HK的粉丝们。

2015年，参演浪漫爱情喜剧《最佳情侣》饰演女主角叶欢迎。

2016年，出演中国电视剧《我的女神我的妈》的女主角，同年，客串中韩合拍电视剧《相爱穿梭千年2》。

2018年，李多海时隔四年回归荧屏，出演SBS周末剧《善良魔女传》。