1982年，李东学出生在河南郑州的一个军人家庭 ，父亲李茂轩是空军部队的飞行员。因为父亲东海舰队总部在宁波，所以他一出生就和母亲随军进部队大院了，在宁波的一个较为封闭而独特的环境中长大 。李茂轩从小就对儿子进行军事化的管理。在李东学刚刚学会走路时，李茂轩就开始训练儿子站军姿 。他的童年大部分是和外公、外婆一起度过的。家长也给他报了很多补习班，但大多都被他逃课去踢足球了 。李东学的成绩一直不错，高考时顺利地考上了重点大学的计算机系 ，取得郑州大学计算机系的学士学位 。李东学在郑州大学里堪称“校草”，当过婚纱影楼的模特，拍过几个小广告 。毕业时，恰逢第一轮互联网泡沫破灭，中关村挤满了找工作的计算机系毕业生，无路可投的他在新东方学英语 。按照父亲对他人生的规划，他必须出国留学，接受西方军事教育 。
2003年2月，正备战考雅思的李东学同宿舍的伙伴看李东学适合当明星。李东学决定瞒住父亲报考北京电影学院表演专业 。但李东学遭遇车祸，耽误了报名的时间。不过，李东学巧遇老师崔新琴，并获得了一次补考的机会 。经过一个多月的初试和复试，李东学以第22名的成绩通过了北京电影学院的专业考试。2003年8月，李东学走进了北京电影学院的大门。李东学不仅是全班年龄最大的学生，而且也是唯一一个没有任何才艺的学生。由于李东学接触表演的起点低，他在别的同学玩乐时，千方百计学习表演才艺。无论春夏秋冬，李东学都坚持早上五点半出晨功，虽然很累，但他感到很充实。每到班里有汇报表演时，李东学都担任男一号的角色。2004年，正在上大二的李东学凭借高大帅气的外表，得到了很多广告商的青睐。
2010年12月4日，出演的古装武侠片《赵氏孤儿》上映，李东学在片中饰演春秋时期晋国正卿赵盾的车右提弥明 。2011年9月23日，与赵文瑄、李冰冰合作出演的辛亥革命百年纪念电影《辛亥革命》上映，他在片中饰演性格正直不阿的醇亲王、监国摄政王爱新觉罗·载沣 。
2012年3月26日，与孙俪、陈建斌、蔡少芬等人合作出演的清装宫廷剧《甄嬛传》在安徽卫视和东方卫视上星播出，李东学在剧中饰演雍正皇帝的十七弟爱新觉罗·允礼 ，李东学个人也凭借该剧获得了国剧盛典年度最佳新人奖 ；5月30日，参加在中国政法大学举行的第二届北京高校联合电影节闭幕式暨颁奖典礼，并为获奖演员颁发最佳男演员奖 ；7月30日，与杨幂、孙坚联袂主演的民国爱情剧《刁蛮新娘》上星播出，李东学在剧中饰演温文尔雅、俊朗飘逸的戴问天 ；10月14日，主演的励志片《许海峰的枪》上映，他在片中饰演的许海峰，曾2次获得省射击比赛冠军，后进入国家队参加洛杉矶奥运会，以第一名的成绩获得金牌 ，他也凭借该剧获得第14届中国电影表演艺术学会奖（金凤凰奖）新人奖 ；同年，他还与崔智友搭档主演了都市时尚剧《城市恋人》，在剧中饰演丁遇锋的哥哥丁默 。
2015年3月5日，李东学与林心如、猪哥亮共同出演的贺岁喜剧片《大喜临门》上映，他在片中饰演北京投顾公司总经理高飞 ；5月9日，为电视剧《抓住彩虹的男人》演唱的插曲《你是我的谁》正式上线 ；5月26日，主演的年代爱情剧《抓住彩虹的男人》上星播出，李东学在剧中饰演性格温文尔雅的周邵天 ；12月23日，出席了第30届中国电视剧飞天奖典礼。
2017年7月，与董璇合作主演的年代爱情剧《探戈》开机，在剧中饰演南京日伪政权驻上海外交司官员叶天纵 ；10月，与汤晶媚、黑子共同出演的奇幻冒险剧《大夏宝藏》开机，在剧中饰演为保护国家文物、宣扬民族文化而探寻西夏宝藏的热血青年顾耽 。2018年，在古装武侠剧《倚天屠龙记》中饰演张无忌之父张翠山 。
2019年1月9日，与迈克·泰森、安妮克·阿斯克渥德共同出演的商战动作片《中国推销员》上映，他在片中饰演通讯工程师出身的菜鸟推销员严健 ；4月1日，与张俪合作主演的年代剧《面具背后》在中央电视台电视剧频道播出，李东学在剧中一人分饰二角，分别饰演了民国警探徐继发及其孪生弟弟林奕晨 ；其后，与王千源搭档主演剧情片《老家伙们》 ；5月1日，主演的爱情片《下一任：前任》上映，李东学在片中饰演林心恬的学长黄克群 ；6月，主演剧情片《牛油果的春天》 ；7月15日，与张震、倪妮共同出演的古装神话剧《宸汐缘》播出，他在剧中饰演的山灵族国师景休 。
2020年2月10日，主演的电视剧《奋进的旋律》在央视播出，他在剧中饰演奋进青年林杰 ；同年，主演古装悬疑动作电影《长安不良帅》，在片中饰演王玄 ；9月15日，入围第七届中国电视好演员奖蓝组男演员名单 ；12月5日，参加由中央广播电视总台央视综合频道联合央视创造传媒、中国国家话剧院共同推出的文化节目《故事里的中国第二季》第二季第七期播出《战“疫”中的青春》 。
2021年2月26日，主演的剧情片《千顷澄碧的时代》上映，在片中饰演坝庄挂职第一书记芦靖生 ；4月2日，与任天野搭档主演的网络电影《浴血无名川》上映，他在片中饰演狙击手杜川 ；4月9日，主演的剧情片《谷子地》上映，在片中饰演扎根家乡、无私而坚韧的吕梁汉子谷子 。
李东学12岁起开始踢足球，在省大运会上拿过名次 。12岁那年，李东学正式进入郑州市第七初中的足球校队。李东学的高中是回民中学，他同样入选了校队，而且还当了队长。在初升高的时候，李东学由于有足球特长，还加了10分。当时除了参加校队的比赛之外，李东学还是河南省青少年足球俱乐部的一员，李东学上大学的时候，他依然是校队的成员，他还因此成为了他们班唯一一个年年都拿奖学金的人。
2013年3月，参加在北京举行的第三届“明星公民”颁奖盛典，并为获得活动组委会特别奖的俞灏明颁奖 ；7月，参加在慕尼黑举行的奥迪杯足球赛，李东学作为“圆梦大使”帮助中国球迷实现五个足球心愿 ；其后，与熊乃瑾搭档主演公益微电影《降落》，并和熊乃瑾一起献唱微电影同名主题曲《降落》 。
在一组写真中，墨镜后的他眼神犀利，硬汉气十足；机车上的他手持香烟，颇有雅痞范儿 。而在另一组写真中，李东学无论是身穿复古西装，还是随性毛衣，皆从神态中流露出轻熟男的独特魅力，内敛沉稳，质感十足 。（网易娱乐、人民网评）
