2003年，在吕小品执导的情景喜剧《好市多多》中饰王绿根。 2005年10月，主演庄宇新执导的国产伤痛爱情题材电影《爱情的牙齿》，饰魏迎秋；12月，李乃文参演了杨小雄执导的情爱伦理剧《女人的选择》，饰陈东东。 2006年2月，主演首部奥运题材的电视剧《我的2008》；10月，主演战争贺岁电影《集结号》，饰九连爆破手吕宽沟；11月，主演都市励志数字电影《围剿》，凭借二喜一角入围百合奖最佳男演员。 2007年5月，李乃文主演刑侦题材电视剧《本色》，饰刑警苏岩 。2008年3月，在毛卫宁执导的谍战剧《身份的证明》中李乃文饰向德福。 2009年4月，领衔主演励志情感剧《城·事》，饰演善良小职员毛剑；7月，拍摄都市励志数字电影《道路》，饰邱晨；8月，出演法制类电视节目《案件聚焦》的特别版《十四楼》，饰新闻工作者姜言；同年，搭档李幼斌，主演反映两代三线建设者生活的历史戏《爱在苍茫大地》，饰膏药；随后，参与高峰执导的献礼片《大河》，并在第13届中国电影华表奖获得优秀故事片奖；然后，与刘桦、杨若兮、张少华合演喜剧电影《欠我十万零五千》，饰二旺。 2010年3月，李乃文与尚雯婕、李晨共同主演中国第一部动物亲善题材青春喜剧电影《熊出没注意》，饰白板；15日，凭借批判现实主义影片《我是植物人》中刘聪这一角色获得百合奖优秀男演员；7月，联合刘威葳、田雨、张歆艺主演另类谍战剧《风声传奇》，塑造了反派有杀人机器之称的“石原”；9月，主演战争题材电视剧《夺宝》，饰八路军战士武僧赵和尚。 2011年3月，主演草根谍战剧《借枪》，李乃文饰演银行经理“杨小菊” ；4月，加盟王丽坤主演的现代家庭伦理剧《婚巢》，饰于致远；8月，李乃文参演周小兵执导的年代爱情剧《遥远的幸福》，饰武越；10月，参与张猛执导的文艺怀旧电视剧《钢的琴》，饰陈桂林；同年，搭档颜丙燕主演中年家庭婚姻问题的都市动作片《重来》。 2012年4月，搭档左小青、张彤，主演李木戈执导的都市情感喜剧《玫瑰炒肉丝》，饰二手富二代李强；5月，主演年代情感戏《浦江危情》，饰谢勇。 2013年6月，李乃文与沙溢、马苏搭档出演都市轻喜剧《结婚前规则》，塑造了抠门较真的小男人周凡；8月，与佟丽娅共同主演都市婚恋爱情轻喜剧《80婚约》，李乃文饰新好男人张赫名。 2014年8月21日，李乃文与宋丹丹、朱媛媛、领衔主演都市爱情励志剧《幸福请你等等我》开播，剧中饰宋丹丹的弟弟王朝晖。 2014年9月23日，李乃文搭档张嘉译、左小青、朱锐主演的跨年代情感剧《爷们儿》开播，剧中饰演小心眼却心地善良的刘全有一角。 2014年12月，李乃文主演的冷幽默谍战大剧《虎口拔牙》在浙江卫视播出。 2017年10月，参演谍战剧《天衣无缝》，在剧中饰演江绍成 。2018年1月12日，李乃文搭档靳东、江疏影、辛芷蕾主演的都市恋爱剧《恋爱先生》在东方卫视、江苏卫视播出，该剧取得了很好的收视率。 2月28日，李乃文搭档张嘉译、李小冉、宋丹丹主演的家庭都视剧《美好生活》在东方卫视、北京卫视播出。 2018年2月，与靳东、李宗翰二度合作电视剧《如果岁月可回头》，在剧中饰演蓝天愚。7月，参演电影《我不是药神》上映。 2019年2月12日，参演的电视剧《逆流而上的你》上映。