2011-15: Debüt und Karriereanfänge
Kai war das erste Exo-Mitglied, das am 23. Dezember 2011 offiziell der Öffentlichkeit vorgestellt wurde. Seinen ersten Fernsehauftritt hatte er zusammen mit seinen EXO-Kollegen Luhan, Chen und Tao sowie anderen Künstlern von SM Entertainment bei der Jahresend-Musiksendung SBS Gayo Daejeon am 29. Dezember 2011. Die Gruppe debütierte offiziell im April 2012 und hat seitdem erhebliche Popularität und kommerziellen Erfolg erlangt.
Im Oktober 2012 nahm Kai an der Promo-Gruppe Younique Unit neben seinen Labelkollegen Eunhyuk, Henry, Hyoyeon, Taemin und Luhan teil. Die Gruppe veröffentlichte eine Single mit dem Titel „Maxstep“ als Teil der Zusammenarbeit zwischen SM Entertainment und Hyundai. Im Dezember 2012 trat er der Tanzgruppe SM The Performance bei, zusammen mit Lay, Yunho von TVXQ, Eunhyuk und Donghae von Super Junior, Minho und Taemin von Shinee. Die Gruppe trat erstmals am 29. Dezember bei der Veranstaltung SBS Gayo Daejeon auf und performte ihre Single „Spectrum“. Die Single wurde am nächsten Tag offiziell veröffentlicht. Im August 2014 war Kai in dem Song „Pretty Boy“ aus dem Debütalbum von Shinee-Mitglied Taemin zu hören.
2016-2019: Schauspielkarriere und SuperM
Im Januar 2016 gab er sein offizielles Schauspieldebüt als männliche Hauptrolle in dem Webdrama Choco Bank, das rekordverdächtige Zuschauerzahlen erreichte. Im Dezember 2016 spielte er in zwei Episoden des speziellen Webdramas 7 First Kisses mit, das von Lotte Duty Free produziert wurde.
Im Januar 2017 wurde bekannt gegeben, dass Kai die männliche Hauptrolle in dem KBS-Teenie-Drama Andante spielen wird, in der er einen Highschool-Schüler verkörpert. Im Februar 2017 wurde er für das japanische Drama Spring Has Come besetzt, das auf dem gleichnamigen japanischen Roman basiert. Das Drama markiert das erste Mal, dass ein nicht-japanischer Schauspieler eine Hauptrolle in einem vom Sender Wowow produzierten Drama übernimmt.
Im Dezember 2017 wurde Kai als Cover-Model für die Dezember-Ausgabe von The Big Issue ausgewählt, einem Magazin, das sich für Obdachlose einsetzt. Innerhalb der ersten zwei Tage waren 20.000 Exemplare des Magazins ausverkauft, und bis heute wurden 80.000 Exemplare verkauft, was die höchste Anzahl an verkauften Exemplaren seit dem Start des Magazins im Juli 2010 darstellt. Im Jahr 2018 wurde Kai in dem Melodrama The Miracle We Met von KBS gecastet.
Am 7. August 2019 wurde Kai als Mitglied von SuperM bestätigt, einer „K-Pop-Supergroup“, die von SM Entertainment in Zusammenarbeit mit Capitol Records gegründet wurde. Die Promotionen der Gruppe sollen im Oktober beginnen und sind auf den amerikanischen Markt ausgerichtet. Kai wurde zum ersten Gucci Eyewear Men Global Ambassador in Korea ernannt. SuperM debütierte mit der selbstbetitelten Debüt-EP der Gruppe am 4. Oktober 2019.
2020-present: Solo-Debüt
Am 3. Juli 2020 gab SM Entertainment bekannt, dass Kai’s erstes Solo-Album derzeit in Produktion ist und in der zweiten Jahreshälfte 2020 erscheinen soll. Am 12. Oktober wurde bekannt gegeben, dass er die erste männliche Muse der Kosmetikmarke Bobbi Brown geworden ist. Am 1. November trat Kai im Online-Showcase „TUCSON Beyond Drive“ auf, einer Zusammenarbeit zwischen Hyundai Motors und SM Entertainment, wo er eine Musikperformance mit dem Titel „Follow Your Hidden Light“ präsentierte, die K-Pop und AR-Technologie kombiniert.
Am 30. November veröffentlichte Kai sein Debütalbum „Kai (开)“ und die Leadsingle „Mmmh“ und wurde damit zum fünften Exo-Mitglied, das sein Debüt als Solosänger gab.