2011-15: Debiut i początki kariery
Kai był pierwszym członkiem Exo, który został formalnie przedstawiony publicznie 23 grudnia 2011 roku. Zrobił swój pierwszy występ telewizyjny wraz z kolegami EXO członków Luhan, Chen i Tao, jak również innych artystów SM Entertainment na koniec roku program muzyczny SBS Gayo Daejeon na 29 grudnia 2011 roku. Grupa oficjalnie zadebiutowała w kwietniu 2012 roku i od tego czasu zyskała znaczną popularność i sukces komercyjny.
W październiku 2012 roku, Kai uczestniczył w grupie promocyjnej Younique Unit wraz z kolegami z wytwórni Eunhyuk, Henry, Hyoyeon, Taemin i Luhan. Grupa wydała singiel zatytułowany „Maxstep” jako część współpracy pomiędzy SM Entertainment i Hyundai. Później, w grudniu 2012 roku, dołączył do grupy tanecznej SM The Performance, wraz z Lay, Yunho z TVXQ, Eunhyuk i Donghae z Super Junior, Minho i Taemin z Shinee. Grupa po raz pierwszy pojawiła się na imprezie SBS Gayo Daejeon 29 grudnia i wykonała swój singiel „Spectrum”. Singiel został oficjalnie wydany następnego dnia. W sierpniu 2014 roku Kai pojawił się w piosence „Pretty Boy” z debiutanckiego albumu członka Shinee – Taemin’a.
2016-2019: Kariera aktorska i SuperM
W styczniu 2016 roku zadebiutował oficjalnie jako męska główna rola w dramie internetowej Choco Bank, która osiągnęła rekordową oglądalność. W grudniu 2016 roku wystąpił w dwóch odcinkach specjalnej web dramy 7 First Kisses, która została wyprodukowana przez Lotte Duty Free.
W styczniu 2017 roku ogłoszono, że Kai wystąpi jako męska główna rola w teen dramie KBS Andante, grając ucznia szkoły średniej. W lutym 2017 roku został obsadzony w japońskiej dramie Spring Has Come, opartej na japońskiej powieści o tym samym tytule. Drama oznacza pierwszy raz nie-japońskiego aktora biorącego główną rolę na dramie produkowanej przez stację nadawczą Wowow.
W grudniu 2017 roku Kai został wybrany jako model okładki do grudniowego wydania The Big Issue, magazynu znanego z pomocy bezdomnym. Magazyn wyprzedał 20 000 egzemplarzy w ciągu pierwszych dwóch dni, a do tej pory sprzedano 80 000 egzemplarzy, co odnotowuje najwyższą liczbę sprzedanych egzemplarzy od początku istnienia magazynu w lipcu 2010 roku. W 2018 roku Kai został obsadzony w melodramacie KBS „The Miracle We Met.
7 sierpnia 2019 roku potwierdzono, że Kai jest członkiem SuperM, „K-popowej supergrupy” stworzonej przez SM Entertainment we współpracy z Capitol Records. Promocje grupy mają się rozpocząć w październiku i są skierowane na rynek amerykański. Kai został wybrany jako pierwszy globalny ambasador Gucci Eyewear Men w Korei. SuperM zadebiutował z debiutancką EP-ką grupy o własnym tytule 4 października 2019 r.
2020-obecnie: Debiut solowy
W dniu 3 lipca 2020 roku SM Entertainment ogłosiło, że pierwszy solowy album Kai jest obecnie w trakcie produkcji z celem wydania w drugiej połowie 2020 roku. 12 października ogłoszono, że został pierwszą w historii męską muzą marki kosmetycznej Bobbi Brown. 1 listopada Kai pojawił się w internetowym showcase „TUCSON Beyond Drive”, współpracy między Hyundai Motors i SM Entertainment, gdzie zaprezentował występ muzyczny zatytułowany „Follow Your Hidden Light”, który łączy K-pop i technologię AR.
30 listopada Kai wydał swój debiutancki extended play Kai (开) i jego główny singiel „Mmmh”, stając się piątym członkiem Exo, który zadebiutował jako solowy piosenkarz.