李东翰出身于军人家庭，年少时受过专业的短道速滑训练；与此同时，他还会篮球、排球、羽毛球、台球、武术等。李东翰在上中学的时候，加入了排球校队，并与队友一起拿过长春市排球比赛的冠军。
2002年，出演
吴子牛执导的古装剧《
热血忠魂之独行侍卫》，在剧中饰演御前侍卫关达，这是他的首部电视剧作品，从而正式进入演艺圈。
2003年，出演
邓超、
霍思燕、
潘虹主演的古装剧《
少年天子》，在剧中饰演胸怀大志却一生悲辛无尽的襄亲王博果尔。
2007年，与
王斑、
李晨、
嵇波合作主演警匪悬疑剧《
绝密押运》，在剧中饰演有责任感却容易冲动的武警九中队排长左毅然。
2009年8月25日，获得“影视60周年岁月与光芒颁奖典礼”最具潜力男演员奖的提名；同年，出演陈建执导的战争电影《
厂窖惨案》，在片中饰演朴实敦厚且顽强不屈的湘北水乡厂窖船工水鹞子。
2011年5月，参加CCTV-6综艺节目《
爱秀电影》的录制，并在密室环节中饰演了
郭靖；同年，与
刘涛、
陈思成、
包贝尔合作主演年代情感剧《
橄榄树》，在剧中饰演因战争而双目失明的军人秦川，这也是他首次在影视剧中尝试盲人的角色。
2017年，出演
吴雅文执导的警匪电影《
连环骗局》在剧中饰演出身警察世家的男主肖大猛；11月27日，与
田牧宸、
冯静、
宁丹琳合作主演抗战剧《
战狼战狼》，在剧中饰演因毒瘾发作而被日军控制的共产党特工金刚山。
2021年1月23日，主演的“我是警察”公安英模系列电影之《
我是警察之扫黑英雄》在爱奇艺独家上线；8月6日，搭档
丁海峰、
甘婷婷、
李滨等人主演的犯罪悬疑电影《
危险记忆》上映。
2023年7月17日，出演由
周迅、
刘奕君主演的犯罪悬疑剧《
不完美受害人》播出，在剧中饰演杜卫东一角。12月18日，参演的电视剧《
鲲鹏击浪》播出。
李东翰特别适合演军人，而长期的运动训练也让他拥有良好的身体素质和独特的个人气质，再加上出身于军人家庭，从小耳濡目染，诠释起军人形象也得心应手、形神兼备（新浪、刘涛评）。
李东翰拥有硬朗帅气的外形、娴熟且充满爆发力的演技。李东翰在电视剧《向着炮火前进》中，将八重英的人物性格，以及前后反差，诠释得层次分明、十分饱满，而这也展现出其不露痕迹的表演功底（腾讯评）。