高中畢業，父親讓李東學考軍校，他不從，考了當時的計算機系。畢業時，恰逢第一輪互聯網泡沫破滅，中關村擠滿了找工作的計算機系畢業生。無路可投的他一邊在新東方學英語，一邊偷偷報考了北京電影學院，參加了兩次高考的李東學進入電影學院后還是有點心虛，所以在上電影學院的第二年，李東學就拍了很多廣告，收入體面，然后拍了自己的第一部戲，并時不時給父母貼補一些家用。
2007年，李東學與楊冪、寇世勛等人合作出演古裝劇《大秦直道》，在劇中飾演俊朗陽剛的蒙毅將軍，從而正式進入。
2008年，李東學與何潤東、胡歌、彭于晏等人共同出演的古裝傳奇劇《少年楊家將》在安徽衛視上星播出，他在劇中飾演楊大郎楊延平。
2009年，出演電影《大內密探靈靈狗》。
2010年，出演的古裝武俠片《趙氏孤兒》上映，李東學在片中飾演春秋時期晉國正卿趙盾的車右提彌明。
2011年，與趙文瑄、李冰冰合作出演的辛亥革命百年紀念電影《辛亥革命》上映，他在片中飾演性格正直不阿的醇親王、監國攝政王愛新覺羅·載灃。
2012年，與孫儷、陳建斌、蔡少芬等人合作出演的清裝宮廷劇《甄嬛傳》在安徽衛視和東方衛視上星播出，李東學在劇中飾演雍正皇帝的十七弟愛新覺羅·允禮，李東學個人也憑借該劇獲得了國劇盛典年度最佳新人獎；5月30日，參加在中國政法大學舉行的第二屆北京高校聯合電影節閉幕式暨頒獎典禮，并為獲獎演員頒發最佳男演員獎；7月30日，與楊冪、孫堅聯袂主演的民國愛情劇《刁蠻新娘》上星播出，李東學在劇中飾演溫文爾雅、俊朗飄逸的戴問天；10月14日，主演的勵志片《許海峰的槍》上映，他在片中飾演的許海峰，曾2次獲得省射擊比賽冠軍，后進入國家隊參加洛杉磯奧運會，以第一名的成績獲得金牌，他也憑借該劇獲得第14屆中國電影表演藝術學會獎（金鳳凰獎）新人獎；同年，他還與崔智友搭檔主演了都市時尚劇《城市戀人》，在劇中飾演丁遇鋒的哥哥丁默。
2013年，主演的年代傳奇劇《第九個寡婦》上星播出，他在劇中飾演葡萄的初戀孫少勇。2014年5月22日，與李念、毛俊杰聯袂主演的都市情感劇《紙婚》播出，他在劇中飾演性格內斂嚴謹的公務員管桐；8月5日，與殷桃合作主演的都市情感劇《假如幸福來臨》在安徽衛視上星播出，在劇中飾演高富帥羅成；8月7日，與張震、王千源、劉詩詩等人合作主演的武俠片《繡春刀》上映，李東學在片中飾演單純率性的靳一川；隨后，他也憑借該片獲得第二屆中澳國際電影節最佳男配角；10月，與白冰合作主演都市愛情劇《無聲戀曲》，他在劇中飾演娛樂記者林頌凡；同年，他憑借電影《許海峰的槍》獲得英國雅典娜藝術獎最佳男主角獎。
2015年，李東學與林心如、豬哥亮共同出演的賀歲喜劇片《大喜臨門》上映，他在片中飾演北京投顧公司總經理高飛；5月9日，為電視劇《抓住彩虹的男人》演唱的插曲《你是我的誰》正式上線；5月26日，主演的年代愛情劇《抓住彩虹的男人》上星播出，李東學在劇中飾演性格溫文爾雅的周邵天；12月23日，出席了第30屆中國電視劇飛天獎典禮。
2016年，李東學主演的戰爭動作片《鋼刀》上映，他在片中飾演驍勇善戰紅軍連長陳鐵金；10月14日，與于小偉、聶遠、宋佳倫等人共同出演的戰爭片《勇士》上映，他在片中飾演紅四團團長黃開湘；同年，主演古代傳奇劇《包青天》，在劇中飾演剛正不阿的包拯。
2017年，與董璇合作主演的年代愛情劇《探戈》開機，在劇中飾演南京日偽政權駐上海外交司官員葉天縱；10月，與湯晶媚、黑子共同出演的奇幻冒險劇《大夏寶藏》開機，在劇中飾演為保護國家文物、宣揚民族文化而探尋西夏寶藏的熱血青年顧耽。2018年，在古裝武俠劇《倚天屠龍記》中飾演張無忌之父張翠山。
2019年，與邁克·泰森、安妮克·阿斯克渥德共同出演的商戰動作片《中國推銷員》上映，他在片中飾演通訊工程師出身的菜鳥推銷員嚴健；4月1日，與張儷合作主演的年代劇《面具背后》在中央電視臺電視劇頻道播出，李東學在劇中一人分飾二角，分別飾演了民國警探徐繼發及其孿生弟弟林奕晨；5月1日，主演的愛情片《下一任：前任》上映，李東學在片中飾演林心恬的學長黃克群；7月15日，與張震、倪妮共同出演的古裝神話劇《宸汐緣》播出，他在劇中飾演的山靈族國師景休。
2020年，主演的電視劇《奮進的旋律》在央視播出，他在劇中飾演奮進青年林杰；同年，主演古裝懸疑動作電影《長安不良帥》，在片中飾演王玄；9月15日，入圍第七屆中國電視好演員獎藍組男演員名單；10月，參演電影《浴血無名川》在天漠開機，在影片中出演一名神槍手。12月5日，八點檔，由中央廣播電視總臺央視綜合頻道聯合央視創造傳媒、中國國家話劇院共同推出的大型文化節目《故事里的中國》第二季第七期播出《戰“疫”中的青春》，這也是繼第四期《鐘南山》之后，節目對戰“疫”英雄和戰“疫”精神的再度致敬，本期節目的戲劇部分，由丁禹兮、王鷗、李東學等年輕演員共同演繹青春群像
奮進的旋律2020-02-10 飾演林杰 導演蘇舟 主演張豐毅
宸汐緣2019-07-15 飾演景休 導演林玉芬、梁勝權、任海濤、郭虎 主演張震、倪妮
倚天屠龍記2018 飾演張翠山 導演蔣家駿 主演曾舜晞、陳鈺琪、楊明娜
探戈 2017 飾演葉天縱 導演張旗 主演董璇、高云翔、王新
大夏寶藏 2017 飾演顧歌 導演聶軍 主演湯晶媚、黑子
城市戀人2016-11-21 飾演丁默 導演李遠 主演崔智友、秦昊、張嘉倪
包青天2016 飾演包拯 導演范秀明 主演高鈞賢、張芷溪、聶聞遠
面具背后2016 飾演徐繼發 導演沈雷 主演張儷、林源
無聲戀曲2016 飾演林頌凡 導演鐘少雄 主演白冰、劉松仁
抓住彩虹的男人2015-05-26 飾演周邵天 導演吳錦源 主演劉愷威、鄭爽
假如幸福來臨2014-08-05 飾演羅成（羅世亨） 導演邵警輝 主演殷桃、宋春麗、娟子
紙婚2014-05-22 飾演管桐 導演張峰 主演李念、高亞麟
第九個寡婦2012-10-22 飾演孫少勇 導演黃建勛 主演劉佩琦、葉璇
甄嬛傳2011-11-17 飾演允禮 導演鄭曉龍 主演孫儷、蔣欣、陳建斌
大秦直道2011-08-05 飾演蒙毅 導演蕭鋒 主演楊冪、寇世勛
刁蠻新娘2010-10-23 飾演戴問天 導演陳啟峻 主演楊冪、孫堅、王琳
書劍恩仇錄2009-03-20 飾演徐天宏 導演譚友業 主演喬振宇、鄭少秋、穎兒
少年楊家將2006-09-26 飾演楊大郎（楊延平） 導演李國立 主演胡歌、彭于晏
勇敢的你 2021
千頃澄碧的時代2020-10-17 飾演蘆靖生 導演寧敬武
長安不良帥2020 飾演王玄 導演田宇 主演高維蔓
封神之九曲黃河陣2020 飾演楊戩 導演戴希帆
下一任：前任2019-05-01 飾演黃克群 主演郭采潔、鄭凱
老家伙們 2019 導演張峰
谷子地2019 飾演谷子 導演寧海強
牛油果的春天 2018-10 飾演鐵三 導演范慶 主演林鵬、陳思成、赫子銘
六年，六天2017-10-17 導演沈東
中國推銷員2017-06-16 飾演嚴健 導演檀冰 主演李艾、邁克·泰森
影視類
2020-9 第七屆中國電視好演員獎藍組男演員 （提名）
2015 第二屆中澳國際電影節最佳新人獎 （獲獎）
2014 英國雅典娜藝術獎——最佳男演員 許海峰的槍 （獲獎）
2013 第十四屆中國電影表演藝術學會金鳳凰獎新人獎 許海峰的槍 （獲獎）
2012 第四屆國劇盛典最佳新人 后宮甄嬛傳 （獲獎）
2012 MSN星月年度最具潛力男明星 （獲獎）
在電視劇《甄嬛傳》中，李東學對角色虛和實的結合拿捏的非常到位，同時自然平和的演技可圈可點。在電視劇《無聲戀曲》中，李東學飾演的林頌眼神犀利到位，完全演出了那種人物質感。（作家流瀲紫、鄭曉龍、鐘少雄評）
在一組寫真中，墨鏡后的他眼神犀利，硬漢氣十足；機車上的他手持香煙，頗有雅痞范兒。而在另一組寫真中，李東學無論是身穿復古西裝，還是隨性毛衣，皆從神態中流露出輕熟男的獨特魅力，內斂沉穩，質感十足。（網易娛樂、人民網評）
李東學用多部電視劇證明了他駕馭不同類型角色的能力，也讓觀眾看到了他在電視銀幕上的潛力。其次，他的身形、氣質也非常符合片中戰斗英雄的形象。（導演阿甘評）
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