2010年10月，李惠利作为第二期成员正式加入Girl's Day，推出单曲《Twinkle Twinkle》。2011年3月18日，Girl’s Day推出第三张单曲《Girl's Day Party #2》；7月7日，Girl’s Day推出第二张迷你专辑《Everyday》；9月2日，推出第四张单曲《Girl's Day Party #4》。2012年4月18日，Girl’s Day推出第三张迷你专辑《Everyday II》；4月2日，李惠利出演SBS周末剧《美味人生》，剧中饰演张申祖的小女儿“张美贤”；10月26日，Girl’s Day发表第五张单曲《Girl's Day Party #5》。2013年3月14日，Girl's Day推出首张正规专辑《Expectation》，反转以往清纯可爱的形象，其主打曲《期待》的重点舞蹈背带舞引发模仿热潮。7月7日，Girl's Day凭借后续曲《女总统》拿到首个音乐节目一位，其中惠利首次以干练的短发造型亮相，获得众多好评。2014年1月3日，Girl's Day发行第三张迷你专辑《Everyday III》 ，凭借《something》获得6个一位，成为名副其实的大势组合；6月3日起，惠利担任SBS MTV《THE SHOW》第三季主持人，因活泼搞笑的主持风格以及与Tara智妍、Super Junior周觅的密切搭挡而大受喜爱；7月推出夏日单曲《Darling》，回归可爱曲风，成功的反转Girl's Day不单只有性感的一面；8月，李惠利参加MBC综艺节目《真正的男人》女兵特辑 ，节目中惠利毫不做作的可爱撒娇引发了热烈反响，因此被称作“国民撒娇女”，人气大增；10月15日，Girl's Day发行单曲《想念你》；10月28日起，李惠利担任《The Show》第四季主持人之一 ；12月16日，李惠利出演JTBC火耀迷你剧《仙岩女高侦探团》李艺熙一角 ；12月29日，惠利凭借《真正的男人》女兵特辑中精彩的表现荣获2014年MBC演艺大赏女子新人奖。2015年1月21日，李惠利出演SBS水木剧《海德、哲基尔与我》 ，剧中饰演单恋男主角的女大学生闵宇桢，与在节目中多次提到的偶像兼理想型玄彬合作；7月8日，Girl's Day发行第二张正规专辑《Love》以纪念出道五周年，主打曲《Ring My Bell》音源发布后便迅速登上各大音乐网站榜首，其中因拍摄节目而脚伤的惠利坚持忍痛完成了所有舞台，令粉丝感动不已；11月6日，担任tvN金土剧《请回答1988》女主角 ，饰演成家可爱漂亮的二女儿成德善，演技获得大众肯定。2016年，自出演《请回答1988》后，惠利已拍摄了30个广告，创造了100亿韩币的经济效益，成为新一代广告女王，其大势获得认证 ；3月，确定出演4月20日播出的韩国SBS全新水木剧《戏子》女主角郑克琳 ，和演员池城搭档。