李帝勛在年少時就對演戲很感興趣，本想報考電影學(xué)院，卻因為父母反對而放棄，最終考入高麗大學(xué)。然而，李帝勛對演戲的渴望始終沒有減少，于是他在大二時決定休學(xué)，并于2008年考入韓國藝術(shù)綜合大學(xué)演劇院，實現(xiàn)了做演員的夢想。

2005年，通過參演歌舞劇《海燕》開始演藝事業(yè)，并陸續(xù)出演了《美麗人生》、《Audition》等舞臺劇。2007年，出演短篇電影《夜晚，只屬于他們的時間》，以演員身份正式出道；此后，陸續(xù)參加了多部話劇、音樂劇以及獨立電影的拍攝，積累了不少演戲經(jīng)驗。

2009年，在短篇電影《只是朋友》中飾演對愛情充滿期待的單純男孩石伊。2010年6月，在古裝電影《方子傳》中飾演了一名闊少爺；7月，出演恐怖電影《校園鬼》，在《召喚的手》篇章中飾演高中生金世英。

2011年3月，首次擔(dān)任男主角，主演情感電影《守望者》，飾演因友情生變而陷入人生悲劇的男孩基泰，憑借該片獲得第32屆韓國青龍電影獎最佳新人男演員獎、第48屆韓國電影大鐘獎最佳新人男演員獎等多個獎項。7月，與申河均、高洙聯(lián)袂主演戰(zhàn)爭片《高地戰(zhàn)》，飾演年紀輕輕卻有著出色判斷力與統(tǒng)帥能力的韓國陸軍上尉申日榮，憑借該片獲得第20屆韓國釜日電影獎最佳新人男演員獎和第31屆電影評論家協(xié)會最佳男子新人獎。

2012年3月19日，與劉亞仁、申世景合作出演都市愛情劇《時尚王》，飾演深情富二代鄭宰赫。3月22日，搭檔裴秀智主演的愛情電影《建筑學(xué)概論》上映，在片中飾演建筑系大一學(xué)生李勝民，該片票房突破400萬觀影人次。10月，在恐怖電影《占卜師們》中飾演理工博士兼驅(qū)魔師申政元。

2013年2月，主演驚悚電影《憤怒的倫理學(xué)》，飾演因偷窺女大學(xué)生而成為案件嫌疑人的青年警察鄭勛。3月，搭檔韓石圭主演勵志電影《我的帕瓦羅蒂》，飾演身兼“黑幫老大”和“中學(xué)生”雙重身份的音樂天才李章浩。

2014年，與韓石圭二度合作，主演古裝劇《秘密之門》，在劇中飾演習(xí)慣用微笑來隱藏內(nèi)心恐懼的王世子李愃，憑借該劇獲得SBS演技大賞長篇電視劇部門男子最優(yōu)秀演技獎和十大明星獎。

2016年1月，與金惠秀、趙震雄聯(lián)袂主演懸疑劇《signal》，飾演充滿智慧又很有人情味的犯罪心理分析師樸海英，該劇獲得第52屆百想藝術(shù)大賞最佳電視劇獎。5月，主演奇幻動作電影《偵探洪吉童：消失的村莊》，飾演失去了情感認知的能力卻有著超強記憶力的私家偵探洪吉童。

2017年2月，搭檔申敏兒主演tvN金土劇《明天和你》，飾演擁有時光穿梭能力、坐擁千億資產(chǎn)的房地產(chǎn)投資公司代表劉素俊。6月，主演由李俊益執(zhí)導(dǎo)的人物傳記電影《樸烈》，飾演無政府主義的獨立運動家樸烈。其出演的影片《I Can Speak》于中秋期間上映。

2018年，主演的電視劇《狐貍新娘星》播出。

2012年10月25日，李帝勛正式入伍，以義警身份在首爾警察廳的“號角話劇團”服役21個月；2014年7月24日，他結(jié)束兵役，正式退伍。

2015年6月11日，李帝勛參加MBC電視臺特別節(jié)目《Love Challenge》，和節(jié)目組一道參與了樂施會在菲律賓臺風(fēng)海燕、黑格比受災(zāi)地區(qū)重建、純凈水、衛(wèi)生設(shè)施等方面的援助工作。

李帝勛為雜志《W KOREA》拍攝時尚寫真，一改往日溫和純真少年氣息，發(fā)揮熟男氣質(zhì)，很好地展現(xiàn)了都市潮男形象。李帝勛在拍攝過程中，面對緊湊的工作行程絲毫不露倦色，對工作人員照顧有加，表現(xiàn)出專業(yè)態(tài)度（新浪娛樂評）。

李帝勛在電影《守望者》中既有少年的天真，又有狂氣的一面，他的表演受到了獨立以及主流電影節(jié)的矚目（時光網(wǎng)評）。他在愛情電影《建筑學(xué)概論》中扮演男主角的大學(xué)時代，準確地把角色投入至真至純情感中的狀態(tài)傳達給觀眾，同時又演出了人物卑怯輕率的一面，讓觀眾很容易就感受到那份青春和初戀的氛圍（第一財經(jīng)網(wǎng)評）。