2003年，通过SBS穿越剧《千年之爱》正式以演员身份出道 。
2004年，出演电视剧《走向暴风雨》，饰演李正妍一角 。
2005年，参演MBC水木剧《悲伤恋歌》，在剧中饰演姜绅熙一角 。
2007年，出演MBC周末特别企划剧《Air City》，饰演韩伊京一角，该剧是一部以仁川国际机场为背景的电视剧，历经两年时间准备并且耗资60亿韩元打造，在韩国仁川国际机场建成6周年之际推出 。同年，出演特别企划连续剧《太王四神记》中护卫武士阁丹一角，该剧是一部以高句丽开国历史的檀君朝鲜前的传说和高句丽第十九世君主谈德的故事为主题的传奇神话电视剧 。同年，出演TIM第四张专辑歌曲《因为爱》的MV，饰演与TIM分手的恋人 。
2008年，出演日日情景喜剧《可可岛的秘密》，饰演一位美丽的都市小姐，该剧讲述的是为了给西海岸上的岛屿运送后援物资，超市的10名售货员在海上遭到危险被漂流到孤岛上的求生故事 。同年，出演喜剧电影《黑心母女》，该片于2008年6月12日在韩国上映 。
2010年，出演MBC水木剧《皇室家族》，在剧中饰演李有善一角，该剧改编自日本小说《人间证明》 。同年出演电影《和声Harmony》，该片描述一段发生在女子监狱的故事 。
2011年，出演电视剧《Birdie Buddy》，该剧结合了高尔夫和武侠，改编自李贤世画家的高尔夫漫画《Buddy Buddy》。同年，客串tvN月火剧《需要浪漫》，饰演一位作曲家 。
2012年，出演生活剧《我人生的甘雨》，饰演女主角韩甘霖 。
2013年，出演KBS水木剧《秘密》，在剧中饰演男主角的未婚妻申世妍 ，凭借该剧获得2013年KBS演技大赏最佳女配角奖 。同年出演SBS水木剧《听见你的声音》，饰演女检察官徐度妍 ，凭借此剧获得2013年SBS演技大赏新星奖 。2013年出演Davichi演唱的歌曲《因为今天格外想你》的MV 。
2014年，出演KBS月火迷你连续剧《big man》，饰演剧中玄成集团组长苏美罗一角 ，凭借该剧获得2014年KBS演技大赏人气奖 。同年与孙浩俊合作出演Davichi演唱的歌曲《胳膊枕》的MV 。
2015年1月，参加MBC综艺节目《真正的男人》女兵特辑 。同年，参演电影《五月》，担任女主角 。8月，出演电视剧《Mrs.Cop》，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 。
2018年，参加综艺节目《Running Man》 ；同年，主演电视剧《内在美》，饰演善浩集团廉航OneAir代表姜社罗。
2019年06月，主演tvN职场剧《请输入搜索词：WWW》，饰演门户网站巴罗的公关本部长车贤 。
2021年2月，主演tvN科幻剧《LUCA：起源》，饰演有Girl Crush魅力的刑警具凛 。
2010年10月，担任HOPE Project形象大使 。
在KBS水木剧《秘密》中，李多熙以一个拥有魅力外貌加上艺术性才能的完美女人形象登场，展现了自己魅力十足的精湛演技 。（Kpopstarz评）
在电视剧《big man》第五集中，展现了暴雨中完美的呜咽演技，即使被淋湿也发光的清秀外貌抓住了众多男性的心 。（韩网wowstar评）