2001年，回國后李多海參加了第71屆“春香小姐”選拔大賽，獲得了冠軍。之后進入演藝圈，出演了一些影視劇的配角，關(guān)注度一直不高。
直到2004年，李多海在MBC周末劇《花王仙女》中飾演尹初媛，獲得百想藝術(shù)大賞最佳女新人獎。
2005年，3月出演電視劇《綠薔薇》的女主角吳秀兒，12月在洪氏姐妹編劇、全基尚導演的韓劇《我的女孩》中飾演活潑可愛的周幼琳，獲封“韓版小燕子”。該劇憑借精彩的劇情被各國各大電視臺引進，李多海也因此人氣大漲。
2007年，在《Hello，小姐》中飾演良宗家女子李秀荷。獲得KBS演技大賞優(yōu)秀女演員獎，與優(yōu)秀演技獎女演員。
2008年，在《不汗黨》中飾演眼淚女王金達萊。同年8月在《伊甸園之東》中飾演財閥二女兒閔慧琳，原定的女一號，由于更換編劇，多海表示看法：不知從何時開始，每拍完一個鏡頭都會有罪惡感：“連我都無法理解角色，試問怎么能讓觀眾有共鳴呢？我也知道作為演員，應該對角色負責到底，我想把自己真實的演技表達出來，但是卻無法把握劇情未來發(fā)展的方向，實在不想就那樣一集一集地拿片酬。”最后在官網(wǎng)留言決定辭演。（韓劇采用的是：編劇邊寫邊拍 模式）
2010年，首次出演古裝歷史劇《推奴》，飾演一個命運如春香般的女子，雖然身為女奴，但卻果斷勇敢、靚麗可人。《推奴》自開播以來收視率一路飆升，占據(jù)著水木劇收視冠軍的位置。同年李多海成為韓國宣傳短片《一日物語》的女主角。
2011年，在MBC月火劇《再見雷普利小姐》中飾演張美里。
張美里本來只是一個陪酒小姐，卻靠偽造學歷謊稱東京大學畢業(yè)而逆轉(zhuǎn)了人生。出色的演技，榮獲得第19屆大韓民國文化演藝大賞——最優(yōu)秀演技獎。該劇也被粉絲公認是李多海最具有代表作之一。
2012年，搭檔鄭元暢主演內(nèi)地偶像劇《愛的蜜方》，飾演帶著侄子堅強生活并走上廚師之路的喬之夏。該劇于2012年8月13日在湖南衛(wèi)視金鷹獨播劇場上映，首播當天收視率突破1，單集收視率高達1.321，收視較此前兩周提升35%。在湖南首次啟用的央視索福瑞全國網(wǎng)收視組中，《愛的蜜方》在全國網(wǎng)收視更超中心城市組，全國收視率1.35%，收視份額4% 。學習了多年中文的水平讓她基本對話相當流利，劇中完全自己念對白。并在第三屆樂視影視盛典，榮獲年度電視劇亞太地區(qū)最具人氣女演員獎，發(fā)表感言：在中國就像在自己的國家一樣親切。”
2013年，在KBS的諜戰(zhàn)劇《IRIS2》中，飾演手槍射擊冠軍出身的NSS小組成員池秀妍。這也是和張赫繼《不汗黨》、《推奴》后的第三次合作。
2014年，搭檔李棟旭主演MBC周末劇《Hotel King》，這是兩人繼2005年《我的女孩》后再度合作。李多海發(fā)表終映感受：雖然阿莫奈感情戲很多，但卻是給我?guī)砹撕芏嘈腋８械慕巧ｋ娨曂旰螅頌榘⒛蔚臅r光應該成為我珍貴的回憶，也謝謝工作人員和喜歡HK的粉絲們。
2015年，參演浪漫愛情喜劇《最佳情侶》飾演女主角葉歡迎。
2016年，出演中國電視劇《我的女神我的媽》的女主角，同年，客串中韓合拍電視劇《相愛穿梭千年2》。
2018年，李多海時隔四年回歸熒屏，出演SBS周末劇《善良魔女傳》。
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