2005年11月6日，李东海以组合Super Junior成员身份正式出道，并在音乐节目《人气歌谣》中以出道曲《Twins (Knock Out)》初次登台 。2006年，李东海主演了宝儿《Key Of Heart》的音乐录影带 。2007年1月14日，李东海主演了少女时代《Kissing You》的音乐录影带 ；7月26日，SJ全体成员主演的青春搞笑推理电影《花美男连锁恐怖事件》在韩国首映，李东海在片中担任舞蹈社成员及侦探 ；9月20日，SJ发行第二张韩语专辑《Don't Don》，收录李东海参与作词的歌曲《I am》 。2008年4月8日，李东海与组合成员组成Super Junior-M，在中国音乐风云榜年度盛典出道，并发行首张国语专辑《迷》 。2009年，李东海与崔始源主演了林依晨《萤火虫》的音乐录影带 ；随后，李东海还主演了张力尹《晴天，雨天》的音乐录影带 。2010年5月13日，SJ发行第四张韩语专辑《Bonamana》，收录由李东海谱曲的《A Short Journey》 ；7月13日，李东海为韩国综艺节目《强心脏》创作并演唱同名主题曲 ；11月22日，李东海与文彩元、李姬珍、崔振赫合作出演了家庭励志电视剧《没关系，爸爸的女儿》，在剧中饰演富责任感的诚实青年崔旭基 ，李东海创作及演唱插曲《像现在一样》。2011年8月2日，SJ发行第五张韩语专辑《Mr. Simple》，收录李东海创作曲《Y》 ；9月19日，SJ发行第五张韩语改版专辑《A-CHa》，收录李东海创作曲《Oops!!》 ；12月16日， 李东海与银赫组成Super Junior Donghae & Eunhyuk，并发行首张韩语数位单曲《红了哥哥》，收录李东海创作曲《First Love》 ；12月18日，李东海与崔始源、陈意涵、白歆惠联袂主演的现代爱情励志剧《华丽的挑战》在民视上首播 ，在剧中饰演离开故乡追寻梦想的音乐创作型歌手不破尚 ，并演唱主题曲 《华丽的独秀》及片尾曲《这是爱》 。2012年7月16日， 李东海与尹胜雅、崔振赫合作主演了浪漫喜剧《熊猫小姐和刺猬》，在剧中饰演外表强势内心脆弱的糕点师高胜志 ，并演唱主题曲《Please Don't》及插曲《Don't go》 ；8月6日，SJ发行第六张韩语改版专辑《Spy》，收录李东海创作曲《Only U》及《Haru》 ；12月29日，李东海与同公司的六位歌手组成S.M. The Performance，在SBS歌谣大战上合作发行首支韩语单曲《Spectrum》。2014年2月26日，SJ-D&E发行首张日语专辑《Ride Me》 ，获日本Oricon排行榜日榜第一位 ，随后在日本9个城市举行共22场巡演 ；5月18日，李东海与柳德焕、尹珠熙、金栽经合作出演了法医推理电视剧《神的测验4》，在剧中饰演对工作认真负责的法医学研究员韩时宇 ；9月1日，SJ发行第七张韩语专辑《Mamacita》，收录李东海创作曲《Shirt》 ；10月13日，李东海主演的青春校园片《少年轻狂传闻》在韩国上映，在片中饰演遭同侪欺负的帅气学生会会长李正宇 。2015年3月23日，SJ-D&E发行首张韩语迷你专辑《The Beat Goes On》，主打曲《不要痛》、《Mother》、《1+1=Love》、《Still You》及《Love That I Need》是李东海的创作曲 ；7月14日，李东海与利特、银赫、朴信惠合作主演了乐天免税店微电影《像诗一样的旅行》；7月16日，Super Junior发行出道十周年特别专辑《Devil》，收录李东海的创作曲《Don't Wake Me Up》及《Alright》 。