2011-15: Debut și începuturi de carieră
Kai a fost primul membru Exo care a fost prezentat oficial publicului pe 23 decembrie 2011. El a avut prima sa prestație televizată alături de colegii din EXO, Luhan, Chen și Tao, precum și de alți artiști SM Entertainment, în cadrul programului muzical de sfârșit de an SBS Gayo Daejeon, la 29 decembrie 2011. Grupul a debutat oficial în aprilie 2012 și de atunci a câștigat o popularitate semnificativă și un succes comercial.
În octombrie 2012, Kai a participat la grupul promoțional Younique Unit alături de colegii de etichetă Eunhyuk, Henry, Hyoyeon, Taemin și Luhan. Grupul a lansat un single intitulat „Maxstep” ca parte a colaborării dintre SM Entertainment și Hyundai. Mai târziu, în decembrie 2012, s-a alăturat grupului de dans SM The Performance, alături de colegul Lay, Yunho de la TVXQ, Eunhyuk și Donghae de la Super Junior, Minho și Taemin de la Shinee. Grupul și-a făcut prima apariție la evenimentul SBS Gayo Daejeon pe 29 decembrie, și a interpretat single-ul lor „Spectrum”. Single-ul a fost lansat oficial a doua zi. În august 2014, Kai a apărut în piesa „Pretty Boy” de pe albumul de debut al lui Taemin, membru al trupei Shinee.
2016-2019: Cariera de actor și SuperM
În ianuarie 2016, și-a făcut debutul oficial în actorie ca rol principal masculin în drama web Choco Bank, care a atins un record de audiență. În decembrie 2016, a jucat în două episoade din drama web specială 7 First Kisses, care a fost produsă de Lotte Duty Free.
În ianuarie 2017, Kai a fost anunțat că va juca rolul principal masculin în drama pentru adolescenți KBS Andante, interpretând un elev de liceu. În februarie 2017, a fost distribuit în drama japoneză Spring Has Come, bazată pe romanul japonez cu același nume. Drama marchează prima dată când un actor non-japonez care preia un rol principal într-o dramă produsă de postul de radiodifuziune Wowow.
În decembrie 2017, Kai a fost ales ca model de copertă pentru ediția din decembrie a revistei The Big Issue, o revistă cunoscută pentru ajutorarea persoanelor fără adăpost. Revista a vândut 20.000 de exemplare în primele două zile, iar până în prezent au fost vândute 80.000 de exemplare, ceea ce înregistrează cel mai mare număr de exemplare vândute de la înființarea revistei în iulie 2010. În 2018, Kai a fost distribuită în melodrama The Miracle We Met.
La 7 august 2019, Kai a fost confirmată ca fiind membră a SuperM, un „supergrup K-pop” creat de SM Entertainment în colaborare cu Capitol Records. Promoțiile grupului sunt programate să înceapă în octombrie și vizează piața americană. Kai a fost selectat ca primul ambasador global Gucci Eyewear Men în Coreea. SuperM a debutat cu EP-ul de debut autointitulat al grupului pe 4 octombrie 2019.
2020-prezent: Debut solo
La 3 iulie 2020, SM Entertainment a anunțat că primul album solo al lui Kai era în curs de producție, cu scopul de a fi lansat în a doua jumătate a anului 2020. La 12 octombrie, a fost anunțat că a devenit prima muză masculină a brandului de cosmetice Bobbi Brown. Pe 1 noiembrie, Kai a apărut în cadrul showcase-ului online „TUCSON Beyond Drive”, o colaborare între Hyundai Motors și SM Entertainment, unde a prezentat un spectacol muzical intitulat „Follow Your Hidden Light”, care combină K-pop și tehnologia AR.
Pe 30 noiembrie, Kai și-a lansat piesa extinsă de debut Kai (开) și single-ul principal „Mmmh”, devenind al cincilea membru Exo care a debutat ca solist.
.