2012年，李知勳出演校園劇《學校2013》，飾演與好友們組成混混團體的問題學生李知勳，以演員身份正式出道。

2013年3月，李知勳與李知恩、曹政奭合作出演週末家庭劇《最佳李順心》，飾演演藝公司代表申俊浩的秘書趙仁成。

2013年11月，李知勳與金宥真、丁一宇合作出演週末劇《黃金彩虹》，飾演女主角金百元的雙胞胎弟弟金烈元。

2014年3月，李知勳首次擔任男主角，與鄭妍珠合作主演愛情電影《Return Match》，飾演為了愛情而努力改變自己的男孩韓五基，該片也是他的大銀幕處女作。

5月，李知勳參演動作電影《走到盡頭》，飾演一名軍械庫警察。

2015年2月，李知勳出演醫療劇《Blood》，飾演泰民癌症中心院長李宰旭的手下J。

2015年10月，李知勳與劉亞仁、金明民合作出演古裝劇《六龍飛天》，飾演才華橫溢、思想激進的北韓文臣許強。

2016年5月，李知勳出演古裝奇幻劇《魔女寶鑑》，飾演第14代北韓王,順懷世子的堂兄弟宣祖。

6月，李知勳參演懸疑電影《特別搜查：死囚來信》，飾演一名年輕刑警。

7月，李知勳與權俞利、金英光合作主演浪漫愛情劇《評價女王》，飾演廣告公司企劃組長黃知勳。

11月，李知勳與全智賢、李敏鎬合作出演魔幻愛情劇《藍色大海的傳說》，飾演許俊宰名義上的哥哥許致賢。