1999年，李世恩参加了MBC第28期演艺人才培训班，之后以模特身份为杂志拍摄时装图片。2000年，李世恩通过惊悚电影《血滩屠亡》进入演艺圈。2002年，由安在模、金英哲、张东植主演的电视剧《野人时代》首播，李世恩因参演该剧而获得2002SBS演技大赏最佳女配角奖。 2003年，参演了由李英爱、池珍熙、林湖、洪莉娜、梁美京等主演的励志古装历史剧《大长今》，李世恩因饰演视长今为敌人的内医院医女“阿烈”而受到关注。 2004年，搭档金圭莉、李宥利，主演了由安兵基执导的恐怖电影《笔仙》，李世恩饰演被笔仙鬼魂附身的“李玉甄”。 2005年2月14日，由李大荣执导，韩惠珍、姜至奂、尹汝贞、金子玉、梁美京等人主演的长篇青春励志剧《加油！金顺》首播，李世恩饰演张博士骄横跋扈的大女儿“张银珠”； 10月5日，与金媛熙、李奎汉等主演的时尚爱情剧《爱情需要奇迹》首播，李世恩饰演自信好强的现实主义者“刘诗比”。 2006年7月8日，参演的由李泰坤、黄仁英、朴诗妍主演的古装科幻喜剧《渊盖苏文》首播，李世恩饰演渊盖苏文的继室“高素媛”； 10月，担任复活乐队第11张专辑《爱情》MV的女主角； 11月30日，与李秉宪、秀爱主演的爱情电影《那年夏天》上映，李世恩饰演电视台的冒失鬼记者“洙真”，由此获得第15届春史电影节最佳新人女演员奖。 2007年，李世恩与王光娜、金南镇等主演了由朴京烈执导的爱情励志剧《起飞》，因饰演为达目的不择手段的都市女性“车有利”而获得2007SBS演技大赏连续剧最佳配角奖。 2010年，参演了由甘宇成、金智秀、安在模、李智勋、韩振熙、崔明吉等主演的古装历史剧《近肖古王》，李世恩饰演近肖古王王后“魏红兰”。 2012年，与任昌丁、徐英姬、赵如晶、金俊浩、李文植等主演了都市爱情喜剧《人生逆转》，李世恩饰演干练时尚、内心朴实的会长女儿“韩秀景”。 2014年，李世恩客串出演KBS日日剧《天上女人》，饰演李善有的姐姐“李珍瑜”。