2000年，李卓霖怀揣着对表演的热爱，顺利考入北京电影学院表演系；在校期间，他还多次参加了学校组织的文艺汇演及话剧演出。之后，他又取得了北京电影学院艺术硕士的学位，并担任北京电影学院表演系的导师。
2009年，出演成科执导的都市悬疑剧《金融危机之迷情姐妹》，在剧中饰演女主角林若子的男朋友杨立明，与李佳璘饰演一对情侣，这是他的首部电视剧作品，从而正式进入演艺圈。
2010年，出演文章、陶飞霏主演的抗战剧《雪豹》，在剧中饰演书卷气息浓厚的眼镜男张楚，从而受到关注。
2011年，与张若昀、李曼、吴婷合作主演谍战剧《黑狐》，在剧中饰演机智灵敏且城府极深的日军高级特工山口一男，这是他首次在影视剧中尝试日本军人的角色。
2012年，与乔鹏樾、朱杰、张若昀合作主演抗战剧《雳剑》，在剧中饰演深沉且有责任感的日军少将斋藤。
2013年，与刘小锋、夏添、吴承轩合作主演谍战剧《风影》，在剧中饰演机智果敢的男主角冉华，此外他还是该剧的编剧之一，并负责冉华部分的剧本创作；同年，出演张磊、于立清执导的谍战剧《血色玫瑰之女子特遣队》，在剧中饰演原为汪精卫幕僚的抗日人士陶崇斌。
2015年，出演王利兴执导的谍战剧《狐影》，在剧中饰演思维缜密且反应灵敏的男主角雷震，从而获得更多关注；同年8月，参加云南卫视综艺节目《勇者奇兵》的录制；同年，出演黄渤、孙红雷、黄磊主演的喜剧悬疑电影《极限挑战》，在片中饰演青翼蝙王韦一笑，这是他的首部电影作品。
2016年，与章雯淇、陶为、冯越合作主演抗战剧《冰锋》，在剧中饰演有情有义且有勇有谋的男主角明翰。
李卓霖是一位实力派演员，科班出身的经历让他的表演充满了学院风格，严谨以及独具特色的演绎风格是他的杀手锏。李卓霖在电视剧《风影》中生动形象地呈现了冉华这个具有代表性的虚构人物。李卓霖在电视剧《雪豹》中，将书生气十足却专攻制造武器的张楚饰演得自然而又生动。李卓霖不仅敬业，而且还有着创新的态度。他实力与外形兼并，才华与勇气并存。
李卓霖不仅有着沉稳的气质、刚毅的外形，他还具备了抗日剧的体质。李卓霖被称作为“抗战剧扛把子”，他身着英伦时尚西装，时而低眉思考，时而专注观察，透露出成熟男人优雅、睿智、冷静的魅力。李卓霖身着红色皮衣，犀利的目光与个性的山羊胡混合出英雄加雅痞的别样味道。
