2011-15: Debut och karriärstart
Kai var den första Exo-medlemmen som formellt presenterades för allmänheten den 23 december 2011. Han gjorde sitt första tv-framträdande tillsammans med EXO-medlemmarna Luhan, Chen och Tao samt andra SM Entertainment-artister i årets musikprogram SBS Gayo Daejeon den 29 december 2011. Gruppen debuterade officiellt i april 2012 och har sedan dess fått stor popularitet och kommersiell framgång.
I oktober 2012 deltog Kai i kampanjgruppen Younique Unit tillsammans med bolagskamraterna Eunhyuk, Henry, Hyoyeon, Taemin och Luhan. Gruppen släppte en singel med titeln ”Maxstep” som en del av samarbetet mellan SM Entertainment och Hyundai. Senare i december 2012 gick han med i dansgruppen SM The Performance tillsammans med kollegan Lay, TVXQ:s Yunho, Super Juniors Eunhyuk och Donghae, Shinees Minho och Taemin. Gruppen gjorde sitt första framträdande på evenemanget SBS Gayo Daejeon den 29 december och framförde sin singel ”Spectrum”. Singeln släpptes officiellt dagen därpå. I augusti 2014 var Kai med i låten ”Pretty Boy” från Shinee-medlemmen Taemins debutalbum.
2016-2019: Skådespelarkarriär och SuperM
I januari 2016 debuterade han officiellt som skådespelare i rollen som manlig huvudrollsinnehavare i webbdramat Choco Bank, som uppnådde rekordhögt tittarantal. I december 2016 medverkade han i två avsnitt av det speciella webbdramaet 7 First Kisses som producerades av Lotte Duty Free.
I januari 2017 tillkännagavs Kai att han skulle spela den manliga huvudrollen i KBS tonårsdrama Andante, där han spelar en gymnasieelev. I februari 2017 fick han en roll i det japanska dramat Spring Has Come, baserat på den japanska romanen med samma namn. Dramat markerar första gången en icke-japansk skådespelare tar en huvudroll i ett drama som produceras av sändningsstationen Wowow.
I december 2017 valdes Kai till omslagsmodell för decembernumret av The Big Issue, en tidning som är känd för att hjälpa hemlösa. Tidningen sålde ut 20 000 exemplar inom de två första dagarna, och fram till nu har 80 000 exemplar sålts, vilket rekordar det högsta antalet sålda exemplar sedan tidningens start i juli 2010. Under 2018 var Kai med i KBS’ melodram The Miracle We Met.
Den 7 augusti 2019 bekräftades Kai vara medlem i SuperM, en ”K-pop supergrupp” skapad av SM Entertainment i samarbete med Capitol Records. Gruppens marknadsföring är planerad att börja i oktober och riktar sig till den amerikanska marknaden. Kai har valts ut som den första Gucci Eyewear Men Global Ambassador i Korea. SuperM debuterade med gruppens självbetitlade debut-EP den 4 oktober 2019.
2020-nuvarande: Solodebut
Den 3 juli 2020 meddelade SM Entertainment att Kais första soloalbum för närvarande är under produktion med målet att släppas under andra halvåret 2020. Den 12 oktober tillkännagavs att han blivit den första manliga musan någonsin för kosmetikamärket Bobbi Brown. Den 1 november medverkade Kai i online-showcase ”TUCSON Beyond Drive”, ett samarbete mellan Hyundai Motors och SM Entertainment, där han presenterade en musikföreställning med titeln ”Follow Your Hidden Light” som kombinerar K-pop och AR-teknik.
Den 30 november släppte Kai sin första förlängda pjäs Kai (开) och dess huvudsingel ”Mmmh”, vilket gjorde honom till den femte Exo-medlemmen att debutera som solosångare.