2001年，李光洁在古装战争电视剧《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、王宝强合作电视剧《红旗渠的儿女们》（饰肖风）。同年携手张丰毅、许晴、孙淳合作古装电视剧《大清风云》（饰多铎）。
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剧作《我们生活的年代》，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和演谍战电影《盘尼西林・1944》中的慕容轩。
2009年，李光洁与王珞丹主演电视剧《杜拉拉升职记》，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》（饰郭乘风）。
2010年，出演年代情感剧《老马家的幸福往事》（饰刘
坤）。同年，与秦丽主演年代情感剧《青城缘》（饰孟祥河）。
2011年3月，李光洁搭档殷桃、吴秀波主演民国大剧《大道通天》，饰演男主角忠义商人吴皖忠。同年，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4月，与郑秀文、古天乐主演爱情电影《高海拔之恋2》，李光洁饰演的小田角色被郑秀文痴恋，二人之间上演了一段旷世奇情。
2012年3月，李光洁与王珞丹主演电视剧《山楂树之恋》在江苏卫视播出，凭借老三角色在第二届乐视影视盛典上获“电视剧飞跃进步演员”奖。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7月，与张歆艺联手演绎根据热门网络小说《第三种爱情》改编的都市纯爱电视剧《绝爱》，在剧中饰演痴情总裁林启正。
2013年，李光洁与陈思成合作出演战争偶像大剧《战神》（饰
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。
2014年，李光洁与殷桃出演由田沁鑫指导，为纪念莎士比亚诞辰450周年创排的话剧《罗密欧与朱丽叶》，在全国巡演七十余场。2014年8月，李光洁搭档佟丽娅、朱锐、赵子琪主演都市情感剧《酷爸俏妈》，剧中饰演老板孙大雷。同年11月，李光洁搭档张檬、倪大红等主演都市情感剧《百炼成爹》。同年12月，李光洁搭档马苏主演的电视剧《团圆饭》在东方、江苏、天津卫视播出，李光洁饰演“废柴大哥”宋一达。2014年参演由陆川执导，根据小说《鬼吹灯之精绝古城》改编的电影《九层妖塔》，饰演794局长陈九阳。
2015年5月，客串搜狐网络剧《潘磕惺4》。同年8月，与朱丹、谢园主演情感剧《八九不离十》（饰李善军）。