2010年3月31日，李钟硕参演的律政剧《检察官公主》首播，这天成为他以演员身份正式出道的日子 。9月，出演浪漫爱情剧《秘密花园》，饰演清高冷傲的音乐人韩泰善 。2011年，主演MBC情景喜剧《high kick 3短腿的反击》，饰演曲棍球选手安钟硕 。2012年5月，与河智苑、裴斗娜合作出演体育励志电影《朝韩梦之队》，饰演有着很强胜负心的朝鲜乒乓球队员崔京燮 。6月，担任SBS音乐节目《人气歌谣》固定主持人。8月，参演空战动作电影《R2B：返回基地》，饰演战斗飞行员池锡贤。12月，主演校园剧《学校2013》，饰演看似冷漠却怀抱愧疚之心的高南舜，凭借该剧获得KBS演技大赏男子新人演技奖 。2013年6月，李钟硕首次担纲男主角，与李宝英合作主演幻想爱情剧《听见你的声音》，饰演能够听见人心声的超能力少年朴修夏 ，该剧收视率最高达26.2%，平均收视率位列2013年韩国水木剧年度冠军 ，李钟硕亦凭借该剧获得韩国文化演艺大赏最优秀男演员奖、SBS演技大赏优秀男演员奖等多个奖项，并入围第50届百想艺术大赏最佳男演员奖 。9月，与宋康昊、李政宰、金惠秀合作主演古装电影《观相》，饰演有着远大抱负的悲情人物金进珩，与宋康昊上演父子情，该片票房达913万观影人次 。10月，主演游泳题材电影《No Breathing》，饰演具有冷酷魅力的游泳天才郑宇相 。2014年1月，与朴宝英合作主演电影《热血青春》，饰演“传说中的情圣”姜仲吉，该片受邀参加在中国举办的2014年韩国电影展 。5月，主演医疗谍报剧《Doctor异乡人》，饰演拥有天才医术的脱北医生朴勋，该剧播出后获得同时段收视冠军，并位列2014年韩国月火剧年度亚军 ，李钟硕凭借该剧获得韩国文化演艺大赏韩流明星奖 。11月，与朴信惠合作主演以记者为题材的职业爱情剧《匹诺曹》，饰演有着超强记忆力的社会部记者崔达布，该剧位居同时段收视冠军，并以每集28万美元的价格向中国视频网站出售版权，在该平台首轮播出的点击率超过10亿次 。12月，李钟硕凭借电视剧《匹诺曹》获得第27届画梅奖最佳男演员奖 ，并获得SBS演技大赏特别奖 。2015年1月，李钟硕正式启动亚洲粉丝巡回见面会 。2月，获得英语圈韩流网站Soopmi评选的第10届Soompi Awards 2014 最佳男演员，该奖项由喜爱韩流的139个国家的2300万余名粉丝共同投票参与。3月，《福布斯韩国》杂志公布了“2014年福布斯韩国名人榜TOP40”，李钟硕位列韩国福布斯名人榜第十二位，演员部分排名第四位 。5月，获得第51届百想艺术大赏电视类最佳人气男演奖 。10月10日，凭借《匹诺曹》获得第8届韩国电视剧大赏最优秀男演员奖 。10月29日，获得由韩国政府颁发的第6届韩国大众文化艺术奖国务总理表彰奖 。2016年1月，李钟硕的个人蜡像入驻香港杜莎夫人蜡像馆，成为馆内的第四位韩国明星 。2月，首次出演中国电视剧，与郑爽合作主演年代爱情剧《翡翠恋人》，饰演驰骋在黑白两道、具有多重性格的年轻海归白洛寒 。5月，宣布签约YG Entertainment。7月，与韩孝周搭档主演悬疑爱情剧《W-两个世界》，饰演存在于漫画中的主人公—奥运射击冠军、韩国最年轻的超级财阀姜哲，该剧位居同时段收视冠军，并位列2016年水木剧年度季军 。8月18日，被选为乐天免税店代言人 。8月20日，确认主演由《新世界》导演朴勋政执导的犯罪电影《V.I.P.》，首次挑战反派角色，饰演连续犯下跨国杀人案而被各国警方追捕的朝鲜高官之子光日 。11月，确认主演由朴惠莲编剧的奇幻爱情剧《当你沉睡时》，饰演为了阻止噩梦成为现实而孤军奋战的检察官，该剧采用100%的事前制作，预计2017年7月首播 。