2013年，曾以本名李雪，尝试接拍剧集《艾米加油》﹑《兵法乡村》，以及微电影《橘子与罗兴》[4]。
2015年，李一桐参与《思美人》和《青云志》等电视剧的试镜，虽未成功获得角色，然於2015年底，在于正制作的民国玄幻剧《半妖倾城》试镜中表现优异，成功取得女主角色，饰演性格倔强率真、敢爱敢恨的半妖聂倾城，与男主明夏演绎一场半妖与人之虐恋[5]。同时，该剧亦是李一桐个人首部电视剧及出道代表作，於2016年6月首播，随着此剧的热播，李一桐在剧中的表现亦备受肯定[6]。本剧的网播量33.9亿，集均1.7亿。同年十二月，继续出演《半妖倾城》第二季，再度饰演万妖之王聂倾城[7]。
2016年，李一桐主演了金庸同名小说改编的古装武侠电视剧《射雕英雄传》，她饰演玲珑剔透、聪慧机敏的少女黄蓉，帮助郭靖成长为“侠之大者”的民族英雄，该剧於2017年1月在东方卫视播出，李一桐凭借此角，荣获2017电视剧品质盛典“年度新锐剧星奖”，与《电视指南》杂志特别策划的“中国最具产业影响力电视剧新人奖”，以及爱奇艺尖叫之夜盛典“年度戏剧新人奖” [8]。李一桐所饰演的少女黄蓉，深获广大武侠影迷喜爱与赞赏，俏黄蓉形象深入人心，也因此获得了“桐蓉儿”的称号[9]，而此版本亦是自1983年版《射雕英雄传》起，豆瓣评分最高的射雕版本[10]。本剧的网播量52亿，集均破1亿。
2016年9月，在东方神话剧《梦回朝歌》中，李一桐客串饰演胡仙儿（小狐仙，苏妲己的前身）。11月，李一桐与陆毅联袂主演了鲜橙同名小说改编的都市爱情剧《只为那一刻与你相见》，饰演“炮灰”女主夏苒苒，在经历了家庭破裂、爱情诡变后，华丽变身，成功逆袭，实现了事业，并找到“命中注定那个人”的曲折情感故事。而该剧是她首次接触现代题材的电视剧。本剧在东方与浙江卫视播出，双台CVB平均收视近1 [11]（於2020.11.28首播，李一桐凭借夏苒苒此角，荣获2021电视剧品质盛典“年度新锐剧星奖”）。
2017年2月，李一桐与邓伦共同主演民国情感剧《海棠经雨胭脂透》，她饰演女主顾海棠，拥有美妆天赋，在国仇家难中，将民族胭脂品牌发扬光大，并与爱人终成连理、厮守一生。本剧为浙江卫视周播收视历史第三，网播量33.5亿，芒果TV播放量年度第一 （於2019.10.24首播） [12]。2017年5月，与陈建斌联袂主演都市时尚情感电视剧《爱我就别想太多》，李一桐饰演个性十足、聪慧可爱且拥有设计天赋的新锐服装设计师夏可可，与陈建斌所饰演的富豪李洪海，上演了一场逗趣好玩且发人深省的老少恋 [13]。本剧在北京、东方卫视播出，同期卫视收视第一，双台CVB平均收视破1.5，且创下当时优酷史上最高热度9950，优酷网播量25.7亿，抖音播放量破110亿 （於2020.6.25首播） [14]。
2017年6月，李一桐与陈奕迅、李荣浩共同出演动作喜剧电影《卧底巨星》，李一桐饰演开朗活泼的女演员童童 （於2018.1.12上映） [15]。2017年9月，李一桐发布个人首支单曲《迷你闪电》[16]。同年9月，主演古装剧《媚者无疆》，该剧改编自半明半寐的同名小说，李一桐饰演女杀手晚媚，在动荡时代里，凭借自身才智与毅力在杀手之城中求存，历经磨难，却不泯良善本性，终成姽婳城城主，李一桐亦主唱了该剧片尾曲。本剧网播量36.7亿，集均破1亿 （於2018.7.24首播） [17]。
2018年1月，李一桐与李现联袂主演由冯小刚监制、根据同名小说改编的古装玄幻剧《剑王朝》，她饰演长孙浅雪，是位高冷的绝世美人，执九幽冥王剑，原名公孙浅雪，为贵族之女，后被抄家灭族，隐性埋名，伺机复仇。李一桐亦为该角色演唱了人物主题曲《浅雪》。本剧网播量26.3亿，爱奇艺热度年度第一 （於2019.12.6首播）
[18]。2018年5月，李一桐与罗晋联袂主演架空历史权谋剧《鹤唳华亭》，本剧改编自雪满梁园的同名小说，由杨文军导演，雪满梁园编剧。李一桐在剧中饰演灵秀温婉、冷静果敢的陆文昔，与太子萧定权互有情愫，然太子却从未亲见过文昔容貌，之后文昔为救父兄，潜入东宫，与太子在相互试探间，逐渐产生不一般的情感，父兄冤死后，她忍辱求存，历经磨难，伺机复仇，最终反戈，助太子险胜。李一桐精湛演绎了陆文昔一角，表演细腻、丝丝入扣，深获好评。本剧网播量72.5亿，集均1.2亿，2019优酷网播量第一 （於2019.11.12首播） [19]。后推出《鹤唳华亭》 续篇《别云间》，於2020年播出。
2018年12月，李一桐与李鸿其共同主演奇幻爱情电影《我在时间尽头等你》，李一桐饰演女主邱倩，一个热爱芭蕾舞蹈的美丽少女，在十八岁车祸死去，男主为了救她，一次次地扭转时空，代价是牺牲自己的时间，女主一次次地死去，男主一次次地变老，直到时间的尽头，是一部感人至深的电影，2020全球单日票房冠军，全球票房七千三百万美金 （於2020.8.25上映） [20]。
2019年2月，李一桐与许凯联袂主演古装爱情轻喜剧《骊歌行》，唐贞观年间，李一桐所饰演的商贾之女傅柔，因家族变故，因缘际会下入宫担任女官，却被卷进太子、魏王、吴王之间的纷争，与男主合力凭借智慧不断周旋其中，历经风波，逐步成长，最终领悟到国忠、家孝、忠贞於爱人的动人故事。本剧网播量31亿 （於2021.4.15首播）。2019年8月，与杨洋共同主演军旅剧《特战荣耀》，李一桐饰演艾千雪，总部247团参谋长，军衔上尉，后来官升少校，军中最年轻的电子信息通讯工程师。本剧为卫视军旅剧最高收视、爱腾酷联播热度第一 （於2022.4.5首播）。2019年9月，李一桐主演都市情感剧《了不起的女孩》，饰演女主陆可，生活家杂志主编，性格温柔、甜美、体贴、坚韧，在情感与事业上历经许多磨难，最后蜕变成为更好的自己，爱情事业双丰收。本剧在江苏卫视播出（於2020.12.21首播） [21]。
2020年5月，李一桐与胡一天联袂主演都市励志情感剧《我的时代，你的时代》，该剧改编自墨宝非宝的小说《密室困游鱼》，李一桐所饰演的艾情，又甜又飒，是机器人格斗领域的开创者之一，亦是吴白暗恋十年的女神，与吴白为振兴机器人格斗行业，一起拼搏，理想、爱情双向奔赴。本剧网播量16亿，爱奇艺热度破8,000 （於2021.2.4首播） [22]。2020年11月，李一桐主演悬疑推理爱情剧《乌云遇皎月》，本剧改编自丁墨同名小说，李一桐饰演女主谭皎，是位拥有甜妹身御姐心的悬疑爱情小说家，在一次邮轮旅行中，与男主邬遇邂逅，旅行过后，二人却陷入记忆缺失与时空穿梭的漩涡里。在原来的时间线里，女主实已遇害，而在时空弯折出的一年后倒流时间线里，每次只有15天可解谜或破案，15天一过，男女主便又回到船上，而船上时间线是顺流连贯的，直到女主遇害，当这两条正反向时间线重合时，也就是女主遇害的时刻，所有谜底揭晓 （於2022.10.1首播）。
2021年3月，李一桐主演电视剧《理想照耀中国》之〈一家人〉单元，饰演抗疫护士杜富佳 （於2021.5.4首播） [23]。3月，在东方卫视2021电视剧品质盛典上，李一桐凭借《只为那一刻与你相见》夏苒苒一角，荣获“年度新锐剧星”。同年3月，李一桐在费加罗风尚盛典上，荣获“人气先锋演员”奖项。
2021年5月，李一桐主演古装奇幻悬疑剧《九霄寒夜暖》，故事讲述人族“畏寒”女捕快苏玖儿与狼族“内热”少主寒狰，因关系两族的离奇凶案相遇，机缘下组成“温差搭档”，两人携手穿破阴谋迷雾，寻找案件背后真相，同时化解两国族危机 [24] （於2023.2.25首播）。10月，与张译共同主演法政扫黑剧《狂飙》，李一桐饰演市局长千金孟钰，与身为警察的男主是青梅竹马，孟钰聪明伶俐、古灵精怪并有些叛逆，新闻系硕士毕业后成为记者，坚守记者职责，如实报导真相。本剧收视率、网播双爆，为年度剧王，央八CVB平均收视破2.5、北京与东方卫视CVB收视破1，爱奇艺热度历史第一，高达11,800，云合播放量破百亿，集均2.5亿 （於2023.1.14首播）。11月，李一桐主演游戏谍战剧《特工任务》，本剧由赵宝刚执导，李一桐饰演女间谍姚瑶。一款名为“特工任务”的线下游戏以假扮特工、完成任务为噱头，吸引年轻人加入，实际上其背后由境外间谍组织“夜雾”操控，利用线下任务，引诱玩家进行间谍活动。姚瑶原为“夜雾”组织成员，后来被策反，加入国安局阵营（於2023.9.20首播）。
2023年1月，李一桐参演古装历史剧《英雄志》[25]。本剧改编自孙晓同名小说，由杨文军导演、孙晓编剧。李一桐在剧中饰演女主顾倩兮，乃兵部尚书顾嗣源千金。倩兮学识渊博，擅长绘画，乃扬州第一美人。前期叛逆、崇尚自由、不拘泥世俗价值，勇於追求自己所认定的人事物。直至京中风云变色，即将与她成亲的未婚夫突然下落不明，她的父亲因遗宫案入狱，得罪了皇帝，顾府被抄家，她一肩挑起了家计重责，但皇帝为了逼迫顾嗣源就范，不断压迫倩兮，从卖画到卖豆腐、卖豆浆，处处针对捣乱，后来顾嗣源在狱中自尽，倩兮明白父亲完成了他的道，她继续卖尚书豆浆养活一家人，等攒够了钱，重开父亲的“书林斋”，批判朝政，与皇帝针锋相对，以一人之力对抗朝廷，牵制天下舆论，是一个有见识与胆识的奇女子。3月，与欧豪共同主演悬疑刑侦剧《不可告人》，李一桐饰演女主郑冬雨，是一名刑警，而她的父亲是即将退休的卧底刑警，因遭神秘人告密，无故失踪、生死不明，冬雨锲而不舍追查父亲行踪（於2024.5.8首播）。
2023年3月25日，李一桐在2022微博之夜盛典上，获颁“年度突破演员”奖项。3月30日，在东方卫视2023电视剧品质盛典上，李一桐凭借《特战荣耀》艾千雪以及《狂飙》孟钰，荣获“品质闪耀剧星”奖项。5月21日，李一桐再以《狂飙》孟钰，荣获第三届环球影视文化传播高峰论坛之“年度影响力演员”奖项。
2023年6月，李一桐主演励志古装剧《云秀行》，本剧改编自雪乃纱衣的小说《彩云国物语》。李一桐在剧中饰演红秀丽，乃名门红家嫡长女，历经动乱、深知民间疾苦的她，立志成为能为百姓带来幸福的官吏，但因女性不能参加国试，便将梦想寄予孩子们，在私塾里当老师。慧眼识人的霄太师以高额报酬，劝诱红秀丽以贵妃身份进入后宫，扶助皇帝紫刘辉。紫刘辉被秀丽的努力和智慧所打动，开始勤於政务，并修改律法，使得女性可以参加国试。后来秀丽探花及第，成为彩云国第一位女性官吏，出任茶州州牧，最终凭借自己的坚毅、智慧与勇敢，平定了各州叛乱，造就彩云国空前繁荣的盛世，并收获了爱情。
2023年12月6日，李一桐在2023微博视界大会上，获颁“年度魅力演员”奖项。
2024年1月，李一桐与成毅联袂主演《狐妖小红娘王权篇》，本剧改编自动漫《狐妖小红娘》。李一桐在剧中饰演蜘蛛精清瞳，原是毒娘子派去王权山庄做卧底的小蜘蛛精，因负伤为王权富贵所救，为了报恩，她跑遍各地，织就一幅幅画，让王权富贵知晓外面世界的真实模样。后来为了离开王权山庄，两人遭受万剑穿心仍无悔。
2024年1月13日，李一桐在2023微博之夜盛典上，获颁“年度魅力演员”奖项。3月29日，在东方卫视2024电视剧品质盛典上，李一桐凭借《特工任务》姚瑶，荣获“品质创造力剧星”奖项。
2024年5月，李一桐主演穿书古装剧《书卷一梦》，本剧以千山茶客《重生之嫡女祸妃》为底本，大幅度原创改编。李一桐在剧中饰演的宋小鱼，原是一个十八线的女星，无意间穿越到自己所写的剧本里，成为兵部尚书嫡长女宋一梦。在剧本世界里，宋一梦被反派男主用完即弃、凌虐致死，为了躲避这样的宿命，宋小鱼极力躲避男主，然而无论如何努力，“剧情”始终都会将她推往男主南珩身边，上演一个又一个的剧本名场面。
