2011-15: Debut y comienzos de carrera
Kai fue el primer miembro de Exo en ser presentado formalmente al público el 23 de diciembre de 2011. Realizó su primera actuación televisada junto a sus compañeros de EXO Luhan, Chen y Tao, así como otros artistas de SM Entertainment en el programa musical de fin de año SBS Gayo Daejeon el 29 de diciembre de 2011. El grupo debutó oficialmente en abril de 2012 y desde entonces ha ganado una importante popularidad y éxito comercial.
En octubre de 2012, Kai participó en el grupo promocional Younique Unit junto a sus compañeros de sello Eunhyuk, Henry, Hyoyeon, Taemin y Luhan. El grupo lanzó un sencillo titulado «Maxstep» como parte de la colaboración entre SM Entertainment y Hyundai. Más tarde, en diciembre de 2012, se unió al grupo de baile SM The Performance, junto con su compañero Lay, Yunho de TVXQ, Eunhyuk y Donghae de Super Junior, Minho de Shinee y Taemin. El grupo hizo su primera aparición en el evento SBS Gayo Daejeon el 29 de diciembre, e interpretó su sencillo «Spectrum». El single fue lanzado oficialmente al día siguiente. En agosto de 2014, Kai apareció en la canción «Pretty Boy» del álbum debut de Taemin, miembro de Shinee.
2016-2019: Carrera como actor y SuperM
En enero de 2016, hizo su debut oficial como actor principal en el drama web Choco Bank, que logró un récord de audiencia. En diciembre de 2016, protagonizó dos episodios del drama web especial 7 First Kisses, que fue producido por Lotte Duty Free.
En enero de 2017, se anunció que Kai protagonizaría el drama adolescente de KBS Andante, interpretando a un estudiante de secundaria. En febrero de 2017, fue elegido para el drama japonés Spring Has Come, basado en la novela japonesa del mismo nombre. El drama marca la primera vez que un actor no japonés toma un papel principal en un drama producido por la emisora Wowow.
En diciembre de 2017, Kai fue elegido como modelo de portada para el número de diciembre de The Big Issue, una revista conocida por ayudar a las personas sin hogar. La revista agotó 20.000 ejemplares en los dos primeros días, y hasta ahora se han vendido 80.000 ejemplares, lo que registra el mayor número de ejemplares vendidos desde el inicio de la revista en julio de 2010. En 2018, Kai participó en el melodrama de KBS The Miracle We Met.
El 7 de agosto de 2019, se confirmó que Kai sería miembro de SuperM, un «supergrupo de K-pop» creado por SM Entertainment en colaboración con Capitol Records. Las promociones del grupo están programadas para comenzar en octubre y están dirigidas al mercado estadounidense. Kai ha sido seleccionado como el primer embajador global de Gucci Eyewear Men en Corea. SuperM debutó con el EP de debut autotitulado del grupo el 4 de octubre de 2019.
2020-presente: Debut en solitario
El 3 de julio de 2020, SM Entertainment anunció que el primer álbum en solitario de Kai estaba actualmente en producción con el objetivo de ser lanzado en la segunda mitad de 2020. El 12 de octubre, se anunció que se había convertido en la primera musa masculina de la marca de cosméticos Bobbi Brown. El 1 de noviembre, Kai apareció en el escaparate en línea «TUCSON Beyond Drive», una colaboración entre Hyundai Motors y SM Entertainment, donde presentó una actuación musical titulada «Follow Your Hidden Light» que combina el K-pop y la tecnología AR.
El 30 de noviembre, Kai lanzó su obra extendida debut Kai (开) y su single principal «Mmmh», convirtiéndose en el quinto miembro de Exo que ha debutado como cantante en solitario.