1997年，年僅19歲的李晨剛剛考入藝術學院，少年李晨 還沒有開始系統的表演學習，便在數千人的競爭中脫穎而出，在校園青春劇《十七歲不哭》中飾演男主角簡寧，從而正式進入演藝圈；同年，與顏丹晨、張超、煬姿白云合作主演青春劇情電影《花季·雨季》，在片中飾演擅長打籃球的體育委員王笑天。
1998年，與王志文、李幼斌、陳大偉合作主演警匪劇《刑警本色》，在劇中飾演梅莉的弟弟梅英，這是他首次與段奕宏合作。
2002年，與李小璐、呂麗萍、孫一理合作主演清宮劇《十三格格》，在劇中飾演與十三格格一起長大并一直追求著她的男主角七貝勒。
2004年，與任泉、劉威、趙琳合作主演警匪劇《危情24小時》，在劇中飾演精明干練、經驗豐富的反恐特警方進。
2005年，與劉燁、左小青、黃覺合作主演刑偵劇《一針見血》 ，在劇中飾演女主角樊丹的弟弟樊東。
2006年，與王寶強、陳思成、段奕宏合作主演青春勵志劇《士兵突擊》，在劇中飾演堅持自己的原則、充滿希望和樂觀的少校吳哲，這是他與段奕宏繼《刑警本色》后的再度合作；同年，出演有張涵予、鄧超、廖凡主演的戰爭題材電影《集結號》，在片中飾演解放軍干事劉干事。
2007年，與羅德元、黃軒、鄭羅茜合作主演劇情電影《地下的天空》，在片中飾演礦工宋大明；同年，與王斑、嵇波、李東翰合作主演警匪懸疑劇《絕密押運》，在劇中飾演80后押運兵陶濤；同年，與國麗娜、齊奎合作主演數字電影《極限救援》，在片中飾演樂于助人、豪爽直率的出租車司機劉武塑。
2008年，與葛優、鄔君梅、段奕宏合作主演桃色喜劇電影《桃花運》，在片中飾演老實善良且帶點傻氣的酒店廚師關祥，與小宋佳飾演一對情侶；同年月，憑借電影《極限救援》獲得“第11屆上海電影節傳媒大獎”最具潛力新人獎。
2009年，與廖凡、張譯、楊爍合作主演抗戰劇《生死線》，在劇中飾演寧守備團的上尉副官龍文章；同年10月，憑借電影《極限救援》入圍“第37屆國際艾美獎”最佳男主角獎；同年，與徐帆、張靜初、陳道明合作主演災難電影《唐山大地震》，在片中飾演女主角方登的弟弟方達。
2010年，與劉燁、陳坤、張嘉譯合作主演歷史電影《建黨偉業》，在片中飾演張國燾，這是他首次出演歷史人物；同年，與小宋佳、楊立新、霍思燕合作主演家庭情感劇《風車》（原名《我和我的小姨》），在劇中飾演做人真誠、做事講義氣的男主角梁塵，同年，與陳思誠、張譯、楊冪合作主演都市情感劇《北京愛情故事》，在劇中飾演個性格溫和、無欲無求的男主角吳狄，與此同時李晨還擔任了該劇的監制；同年10月，出版個人首本文學作品《晨光倒影》。
2011年3月，憑借電影《唐山大地震》獲得“第五屆娛樂大典”年度電影飛躍人物大獎 ；同年，與李雪健、陶虹、奚美娟合作主演公益電影《楊善洲》，在片中飾演男主角楊善洲的得力助手周波；同年，與鄭伊健、于波、周渝民合作主演古裝電影《忠烈楊家將》，在片中飾演楊四郎，這是他首次出演古裝電影；同年，與馬伊琍、尤勇合作主演年代情感劇《風和日麗》，在劇中飾演剛毅正直、深情專一的軍官劉世軍；之后，他還出演了趙寶剛執導的都市情感劇《北京青年》，在劇中飾演經濟學碩士何東。
2012年，與張譯、高捷、張殿倫合作主演近代革命劇《好家伙》，在劇中飾演海灘一幫派老大屠先生一力培養的接班人時光；同年5月，福布斯中國名人榜公布，李晨首次上榜，位列第56名；同年8月，憑借電影《唐山大地震》獲得“第31屆大眾電影百花獎”最佳男配角獎的提名。
2013年，與霍思燕、于越、杜江合作主演當代勵志劇《草帽警察》，在劇中飾演心地善良溫和、為人穩重踏實的男主角劉五四 ；同年，與靳東、潘虹、高鑫合作主演醫療劇《到愛的距離》，在劇中飾演普外科主任李睿；之后，他還客串了劉燁、陳寶國主演的近代戰爭劇《北平無戰事》，在劇中飾演齊慕堂；同年，與藍盈瑩、安宇、李郁文合作主演微電影《致父親》，在片中飾演身為攝影師的男主角王浩然；同年8月25日，其主演的微電影《因情圓缺2：代理相親》在北京舉辦了首映禮；同年8月29日，李晨赴美國拍攝由搜狐視頻制作的音樂旅行真人秀節目《唱游天下第二季》。
2014年，李晨參加浙江衛視大型戶外競技真人秀《奔跑吧兄弟》的錄制，與此同時他還出演了《奔跑吧兄弟》的電影版；同年，與范冰冰、張豐毅、李治廷合作主演古 裝宮廷劇《武媚娘傳奇》，在劇中飾演女主角武則天青梅竹馬的情人李牧。
2015年3月28日，其主演的都市情感劇《天使的城》在浙江衛視、江蘇衛視播出，在劇中飾演熱情仗義的出租車司機李飛翔；同年4月2日，其主演的電影《咱們結婚吧》上映，在片中飾演熱情奔放、敢愛敢恨的音樂專業生李想；
同年8月5日，其主演的抗戰劇《秀才遇到兵》在江蘇衛視、北京衛視播出，在劇中飾演機智過人、滿腹經綸的男主角龍千言；同年10月21日，其主演的《三個奶爸》在浙江衛視、深圳衛視播出，在劇中飾演男主角余崢。
2016年1月7日，與黃曉明、Angelababy、海清成為首批加入星光公益聯盟的明星，并獲得“推動公益影響”獎項；之后，與，吳秀波、劉濤、張鈞甯合作主演古裝劇《軍師聯盟》，在劇中飾演魏文帝曹丕；同年3月，獲得“第18屆華鼎獎”中國最佳電視劇男演員獎；同年12月3日，獲得“愛奇藝尖叫之夜”年度最受觀眾喜愛電視劇演員獎。
2017年3月，被聘任為了中國電視藝術家協會演員工作委員會理事；同年，執導并主演現代空戰題材電影《空天獵》；11月22日，獲得第14屆MAHB年度先生盛典年度新銳導演獎；12月，加盟中央電視臺綜藝頻道的文博探索節目《國家寶藏》，擔任“國寶守護人”。7日，繼續出演古裝劇《虎嘯龍吟》。
2018年，與王千源、楊采鈺等聯合主演懸疑劇《七日·生》，在劇中飾演李曉宇；9月2日，《中國影視明星社會責任研究報告（2017-2018）》發布，李晨位居第七名；12月18日，獲得中國時尚權力榜年度守望者大獎。
2019年7月2日，其參加的騰訊視頻全明星籃球競技真人秀節目《超級企鵝聯盟Super3:星斗場》首播。
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