2011-15: Debut og karrierestart
Kai var det første Exo-medlem, der blev formelt præsenteret for offentligheden den 23. december 2011. Han havde sin første tv-optræden sammen med sine EXO-kolleger Luhan, Chen og Tao samt andre SM Entertainment-artister i årets musikprogram SBS Gayo Daejeon den 29. december 2011. Gruppen debuterede officielt i april 2012 og har siden opnået betydelig popularitet og kommerciel succes.
I oktober 2012 deltog Kai i promoveringsgruppen Younique Unit sammen med labelkammeraterne Eunhyuk, Henry, Hyoyeon, Taemin og Luhan. Gruppen udgav en single med titlen “Maxstep” som en del af samarbejdet mellem SM Entertainment og Hyundai. Senere i december 2012 blev han medlem af dansegruppen SM The Performance sammen med kollegaen Lay, TVXQ’s Yunho, Super Juniors Eunhyuk og Donghae, Shinee’s Minho og Taemin. Gruppen optrådte første gang ved arrangementet SBS Gayo Daejeon den 29. december og optrådte med deres single “Spectrum”. Singlen blev officielt udgivet den næste dag. I august 2014 var Kai med i sangen “Pretty Boy” fra Shinee-medlem Taemins debutalbum.
2016-2019: Skuespillerkarriere og SuperM
I januar 2016 fik han sin officielle skuespillerdebut som den mandlige hovedrolle i webdramaet Choco Bank, som opnåede rekordhøje seertal. I december 2016 medvirkede han i to afsnit af det særlige webdrama 7 First Kisses, som blev produceret af Lotte Duty Free.
I januar 2017 blev Kai annonceret som den mandlige hovedrolle i KBS’ teenagedrama Andante, hvor han spillede en gymnasieelev. I februar 2017 blev han castet i det japanske drama Spring Has Come, der er baseret på den japanske roman af samme navn. Dramaet markerer første gang en ikke-japansk skuespiller tager en hovedrolle i et drama produceret af tv-stationen Wowow.
I december 2017 blev Kai valgt som omslagsmodel for decembernummeret af The Big Issue, et magasin, der er kendt for at hjælpe de hjemløse. Magasinet solgte 20.000 eksemplarer inden for de første to dage, og indtil nu er der blevet solgt 80.000 eksemplarer, hvilket registrerer det højeste antal solgte eksemplarer siden magasinets start i juli 2010. I 2018 var Kai med i KBS’ melodrama The Miracle We Met.
Den 7. august 2019 blev Kai bekræftet som medlem af SuperM, en “K-pop supergruppe”, der er skabt af SM Entertainment i samarbejde med Capitol Records. Gruppens promoveringer er planlagt til at begynde i oktober og er rettet mod det amerikanske marked. Kai er blevet udvalgt som den første Gucci Eyewear Men Global Ambassador i Korea. SuperM debuterede med gruppens selvbetitlede debut-EP den 4. oktober 2019.
2020-nuværende: Solodebut
Den 3. juli 2020 meddelte SM Entertainment, at Kai’s første soloalbum var under produktion med det mål at blive udgivet i anden halvdel af 2020. Den 12. oktober blev det annonceret, at han var blevet den første mandlige muse nogensinde for kosmetikmærket Bobbi Brown. Den 1. november optrådte Kai i online-showcase “TUCSON Beyond Drive”, et samarbejde mellem Hyundai Motors og SM Entertainment, hvor han præsenterede en musikforestilling med titlen “Follow Your Hidden Light”, der kombinerer K-pop og AR-teknologi.
Den 30. november udgav Kai sin debut extended play Kai (开) og dens forsanger “Mmmh”, og blev dermed det femte Exo-medlem, der har debuteret som solosanger.