2002年，参加超级模特选拔大赛并出道。2003年3月，出演由
成宥利、
苏志燮、金南镇主演的穿越剧《
千年之爱》，以演员身份出道。2004年3月，出演由
宋允儿、金锡勋、金民俊主演的爱情剧《
走向暴风雨》，在剧中饰演李正妍。2005年1月，参演由
权相佑、
金喜善、延政勋主演的爱情剧《
悲伤恋歌》，在剧中饰演姜绅熙。
2007年8月，与
李政宰、
崔智友、
李阵郁、
文贞熙等人合作主演爱情剧《
Air City》，在剧中饰演韩伊京一角；9月，出演由
裴勇俊、
崔民秀、
尹泰荣、
文素利等人主演的古装剧《
太王四神记》，在剧中饰演护卫武士阁丹；随后，出演黄英珉演唱的歌曲《因为爱》MV，饰演与TIM分手的恋人。2008年6月，与
沈惠珍、
金秀美、
李尚禹合作主演家庭喜剧片《
黑心母女》，在片中饰演南熙的女儿羽；7月，与
尹尚铉、
金宣敬等人合作主演情景喜剧《
可可岛的秘密》，在剧中饰演一位美丽的都市小姐。
2011年3月，出演由
廉晶雅、
池城、
金英爱、
车艺莲等人主演的悬疑爱情剧《
皇室家族》，在剧中饰演实习检察官李有善；随后，出演电影《和声Harmony》，该片描述一段发生在女子监狱的故事；6月，客串由
赵茹珍、
金桢勋、
崔振赫等主演的浪漫爱情剧《需要浪漫》，在剧中饰演一位作曲家；8月，与
李龙宇、
金宥真合作主演励志剧《
Birdie Buddy》，该剧改编自李贤世画家的高尔夫题材漫画《Buddy Buddy》。
2012年4月，与
沈亨泽、
柳相旭、
申珠雅等人合作主演生活剧《
我人生的甘雨》，在剧中饰演大大咧咧的可爱女孩韩甘霖。2013年6月，与
李宝英、
李钟硕、
尹相铉共同主演奇幻爱情剧《
听见你的声音》，在剧中饰演兼具美貌、才华、财力的女检察官徐度妍，并凭借此剧获得2013年SBS演技大赏新星奖；9月，与
池晟、
黄正音、
裴秀彬合作主演悬疑爱情剧《
秘密》，在剧中饰演充满魅力和艺术才华的完美女人申世妍，并凭借该剧获得2013年KBS演技大赏最佳女配角奖，随后，出演女子流行演唱团体
Davichi演唱的歌曲《因为今天格外想你》MV。
2014年4月，与
姜至奂、
崔丹尼尔、
郑素敏合作主演悬疑爱情剧《
big man》，在剧中饰演剧中玄成集团组长苏美罗，并凭借该剧获得2014年KBS演技大赏人气奖；随后，与
孙浩俊合作出演
Davichi演唱的歌曲《胳膊枕》MV。2015年1月，作为常驻嘉宾参加MBC综艺节目《真正的男人》女兵特辑；随后，参演电影《五月》。8月，与
金喜爱、
金旻钟、
孙浩俊共同主演动作刑侦剧《
Mrs.Cop》，在剧中饰演家境富饶、兼具美貌与身材的警察闵道英，并凭借该剧获得SBS演技大赏迷你系列部门女子特别表演奖。2016年8月，正式签约
华谊兄弟（Huayi Brothers Entertainment）。
2018年10月，与
徐玄振、
李民基、
安宰贤共同主演爱情剧《
内在美》，在剧中饰演兼具美貌与智慧的集团代表姜社罗。2019年6月，与
林秀晶、
张基龙、
全慧珍等人合作主演职场剧《
请输入搜索词：WWW》，在剧中饰演门户网站巴罗的公关本部长车贤。2021年2月，与
金来沅、
金圣武等人共同主演科幻剧《
LUCA：起源》，在剧中饰演外表帅气的刑警具凛。
在电视剧《秘密》中，李多熙以完美女人的形象登场，给人带去了自己魅力十足的精湛表现。她不仅拥有炉火纯青的演技，在外貌方面也受到关注。在制作发布会、时尚秀等各大场合中，她完美无瑕的皮肤总是能成为万众瞩目的焦点，白皙的皮肤让人羡慕不已。电视剧《big man》里，她展现了在暴雨中的完美哭戏，清秀的外貌抓住了众多男性粉丝的心；而电视剧《LUCA》里，她善于改变的演技更是备受好评，内心情感的变化也进行了细致的捕捉，散发冷艳魅力的武打场面让人叫好，很有说服力地刻画了与沉重的现实与矛盾，表现了与众不同的艺术感，诠释了动作戏的妙趣横生，而她也因此获得称赞。（kpopstarz、wowstar、donga、isplus评）