李星海，毕业于中央戏剧学院表演系。

2005年，搭档李小萌、胡亚捷主演了家庭亲情剧《我的泪珠儿》，在剧中饰演巴男。

2006年，与曹卫宇、李洪涛共同主演电影《督察队长》中饰演刘畅。

2008年，参演高力强指导的电影《青春制造》中饰演陶文嘉。该片获得第9届百合奖优秀故事片二等奖。

2009年，在李亚鹏、应采儿、高虎主演，成浩指导的电视剧《我的三十年代》中饰演冼家老三冼广志。

2016年，在黄志忠、左小青、果静林主演，高进军指导的现代反腐电视剧《国家底线》中饰演稽查小组组员洪小磊。

2017年，在嘉娜·沙哈提指导的革命历史剧《秋收起义》中饰演井冈山农民自卫军首领袁文才，该剧获得美国亚洲影视联盟“金橡树奖”优秀电视剧奖。

2019年，在嘉娜·沙哈提指导的近代革命电视剧《共产党人刘少奇》中饰演天津市市委书记林枫，在刘少奇去北方局工作时升任刘少奇秘书。该剧获得第十五届精神文明建设“五个一工程”奖，第32届中国电视剧飞天奖优秀电视剧奖，第30届中国电视金鹰奖最佳电视剧奖。

2021年，在嘉娜·沙哈提指导的革命历史剧《大浪淘沙》中饰演周佛海。该剧于5月11日在浙江卫视、江苏卫视黄金时间段同步播出。