2001年11月，李善均出演MBC每周情境喜剧《恋人们》正式出道。2002年，李善均客串出演了电影《我的大旧横财》（又名《走为上策》）。2003年，参演了由刘俊相、朴善英主演的喜剧影片《秀秀秀》，获得关注。2005年，李善均搭档安七炫、金圭丽、刘仁英，主演了金奎泰执导，李香姬编剧的KBS月火剧《爱情中毒》，饰演知识渊博而又坚强的检察官“金泰宪”。2006年，李善均与金秀路主演了犯罪喜剧片《残酷的上班》，饰演本质淳朴、却因欠下高利贷而化身绑匪的青年“万浩”。2007年1月6日，与金明民、宋善美、金宝京等主演的偶像悬疑电视剧《白色巨塔》在MBC电视台首播，李善钧饰演受患者们欢迎的好医生“崔道泳”，因此获得第43届韩国百想艺术大赏电视类奖项最佳新人男演员提名；7月2日，与尹恩惠、孔刘、蔡贞安等主演的，改编自李善美作家同名小说的爱情电视剧《咖啡王子1号店》首播，李善均饰演挑剔、固执的音乐家“崔汉成”。2008年6月6日，搭档崔江熙、池贤宇、金英在主演的都市情感剧《我的甜蜜都市》在SBS电视台首播，李善均饰演木讷害羞的企业家“金永秀”；10月16日，与文素丽主演的情感电影《苹果》上映，李善均饰演甩掉交往7年女友后又反悔苦苦追求女友的花花公子。2009年6月11日，李善均与李政宰、尹启相主演的都市情感剧《Triple》首播，其在剧中饰演儒雅细腻的创意总监“赵海润”；10月29日，李善均与瑞雨、沈仁英主演的由朴赞郁执导的爱情电影《坡州》上映，其饰演爱上妻妹的男主角“金仲植”。2010年1月4日，与孔孝真主演的爱情喜剧《Pasta》首播，李善均饰演性格直率的意大利餐厅总厨“崔炫旭”，并因此与孔孝真共同获得2010MBC演技大赏最佳情侣赏；12月1日，和崔江熙再度合作的爱情喜剧《吝啬罗曼史》上映，李善均饰演虽然拥有天才的绘画实力，但却没有丰富想象力的漫画家。2011年，李善均在任灿益导演的喜剧电影《逮捕王》中与朴重勋联袂出演警察角色，为了抓到犯人并争夺“逮捕王”的称号而孤军作战展开抓捕犯人的竞赛。2012年3月8日，李善均搭档金敏喜、赵成夏主演的悬疑电影《火车》上映，上映当天吸引73,897名观众，位居票房第一；5月17日，与林秀晶、柳承龙、李光洙等人主演的轻松爱情喜剧片《我妻子的一切》上映，李善均饰演爱妻子但却软弱的男人“斗贤”。2013年，李善均与李沇熹主演了由权锡章导演、徐淑香编剧联手打造的励志爱情电视剧《韩国小姐》，饰演在钱面前变成无赖的高级人才“金衡俊” 。2014年，李善均和赵镇雄主演了动作电影《走到尽头》，饰演刑警“高建洙”，影片受邀参加第67届戛纳国际电影节导演双周单元展映，并获得好评。李善均也由此获得第35届韩国青龙电影奖最佳男演员提名和第51届韩国百想艺术大赏电影类最佳男演员奖。2015年1月20日，与金高恩主演的惊悚动作片《暴走律师》杀青，李善均在片中饰演百战百胜的律师。2016年，出演JTBC电视台新周五周六《老婆这周要出墙》。2017年，确定出演电影《PMC》。同年，与李瑜瑛、朴海俊确定合作出演电影《恶质警察》，其中还将引用世越号的部分故事，电影预计于下半年上映。2018年，出演tvN电视台新剧《我的大叔》。
