2011-15: Debuut en begin van carrière
Kai was het eerste Exo-lid dat formeel aan het publiek werd voorgesteld op 23 december 2011. Hij gaf zijn eerste televisieoptreden samen met zijn mede EXO-leden Luhan, Chen en Tao en andere SM Entertainment-artiesten tijdens het eindejaarsmuziekprogramma SBS Gayo Daejeon op 29 december 2011. De groep debuteerde officieel in april 2012 en heeft sindsdien aanzienlijke populariteit en commercieel succes behaald.
In oktober 2012 nam Kai deel aan de promotiegroep Younique Unit samen met labelgenoten Eunhyuk, Henry, Hyoyeon, Taemin en Luhan. De groep bracht een single uit getiteld “Maxstep” als onderdeel van de samenwerking tussen SM Entertainment en Hyundai. Later in december 2012, sloot hij zich aan bij de dansgroep SM The Performance, samen met mede-lid Lay, TVXQ’s Yunho, Super Junior’s Eunhyuk en Donghae, Shinee’s Minho en Taemin. De groep maakte voor het eerst haar opwachting op het evenement SBS Gayo Daejeon op 29 december, en bracht hun single “Spectrum” ten gehore. De single werd de volgende dag officieel uitgebracht. In augustus 2014 was Kai te horen in het nummer “Pretty Boy” van het debuutalbum van Shinee-lid Taemin.
2016-2019: Acteercarrière en SuperM
In januari 2016 maakte hij zijn officiële acteerdebuut als de mannelijke hoofdrol in het webdrama Choco Bank, dat een recordbrekende kijkdichtheid bereikte. In december 2016 speelde hij in twee afleveringen van het speciale webdrama 7 First Kisses, dat werd geproduceerd door Lotte Duty Free.
In januari 2017 werd aangekondigd dat Kai de hoofdrol zou spelen als de mannelijke hoofdrol in het KBS tienerdrama Andante, waarin hij een middelbare scholier speelt. In februari 2017 werd hij gecast in het Japanse drama Spring Has Come, gebaseerd op de Japanse roman met dezelfde naam. Het drama markeert de eerste keer dat een niet-Japanse acteur een hoofdrol neemt in een drama geproduceerd door de zender Wowow.
In december 2017 werd Kai gekozen als het covermodel voor het decembernummer van The Big Issue, een tijdschrift dat bekend staat om het helpen van daklozen. Het tijdschrift verkocht binnen de eerste twee dagen 20.000 exemplaren uit, en tot nu toe zijn er 80.000 exemplaren verkocht, wat het hoogste aantal verkochte exemplaren registreert sinds de start van het tijdschrift in juli 2010. In 2018 werd Kai gecast in KBS’ melodrama The Miracle We Met.
Op 7 augustus 2019 werd bevestigd dat Kai lid is van SuperM, een “K-pop supergroep” gecreëerd door SM Entertainment in samenwerking met Capitol Records. De promoties van de groep zijn gepland om te beginnen in oktober en zijn gericht op de Amerikaanse markt. Kai is geselecteerd als de eerste Gucci Eyewear Men Global Ambassador in Korea. SuperM debuteerde met de zelfgetitelde debuut-EP van de groep op 4 oktober 2019.
2020-heden: Solodebuut
Op 3 juli 2020 kondigde SM Entertainment aan dat Kai’s eerste solo-album momenteel in productie was met het doel om in de tweede helft van 2020 te worden uitgebracht. Op 12 oktober werd aangekondigd dat hij de allereerste mannelijke muze van het cosmeticamerk Bobbi Brown was geworden. Op 1 november verscheen Kai in de online showcase “TUCSON Beyond Drive”, een samenwerking tussen Hyundai Motors en SM Entertainment, waar hij een muziekoptreden presenteerde getiteld “Follow Your Hidden Light” dat K-pop en AR-technologie combineert.
Op 30 november bracht Kai zijn debuut extended play Kai (开) en de leadsingle “Mmmh” uit, waarmee hij het vijfde Exo-lid werd dat als solozanger debuteerde.