2012–15: Ra mắt với EXO

Baekhyun là một trong những thành viên cuối cùng gia nhập vào EXO[3] và được công bố là thành viên chính thức thứ 9 của nhóm vào ngày 30 tháng 1 năm 2012.[4] Anh đảm nhận vai trò hát chính của nhóm.

Từ tháng 2 năm 2014 đến tháng 12 năm 2014, Baekhyun và thành viên cùng nhóm Suho đảm nhận vai trò người dẫn chương trình cho chương trình âm nhạc Inkigayo.[5][6] Ngày 8 tháng 7 năm 2014, anh bắt đầu tham gia vở nhạc kịch Hàn Quốc Singin' in the Rain do SM C&C sản xuất, đảm nhận vai chính Don Lockwood.[7]

Tháng 4 năm 2015, Baekhyun phát hành bài hát Beautiful, nhạc phim của web drama EXO Next Door. Bài hát đứng đầu trên nhiều bảng xếp hạng ở cả Trung Quốc và Hàn Quốc.[8] Tháng 5 năm 2015, Baekhyun và diễn viên Yeo Jingoo được xác nhận sẽ tham gia bộ phim điện ảnh Dokgo,[9] tuy nhiên việc sản xuất bộ phim được công bố là đã bị hủy bỏ vào tháng 1 năm 2016.[10] Ngày 28 tháng 12 năm 2015, Baekhyun biểu diễn bài hát Like Rain Like Music để tưởng nhớ nam ca sĩ Hàn Quốc quá cố Kim Hyun-sik trong chương trình âm nhạc cuối năm Gayo Daejun của đài SBS.[11] Ngay sau đó phiên bản phòng thu của bài hát được phát hành trực tuyến trên các trang web âm nhạc Hàn Quốc.

2016–nay: Diễn xuất và EXO-CBX

Ngày 7 tháng 1 năm 2016, Baekhyun và Suzy, thành viên nhóm nhạc nữ miss A, phát hành bài hát song ca "Dream". Bài hát nhanh chóng đứng đầu tất cả các bảng xếp hạng âm nhạc thời gian thực tại Hàn Quốc[12] và đạt vị trí cao nhất trên bảng xếp hạng đĩa đơn của Gaon, đồng thời giành chiến thắng năm lần trên các chương trình âm nhạc Music Bank và Inkigayo.[13][14] Tháng 4 năm 2016, Baekhyun nhận được giải thưởng Ca sĩ Hàn Quốc được yêu thích nhất tại lễ trao giải YinYueTai V-Chart Awards lần thứ 4.

Tháng 8 năm 2016, Baekhyun xuất hiện lần đầu tiên trên màn ảnh nhỏ với vai diễn Thập hoàng tử Wang Eun bên cạnh các diễn viên như Lee Joon-gi, Kang Ha-neul, Lee Ji-eun và Seohyun trong bộ phim truyền hình cổ trang Scarlet Heart: Ryeo có kịch bản được chuyển thể từ tiểu thuyết Trung Quốc Bộ Bộ Kinh Tâm.[15][16] Anh cũng cùng với hai thành viên cùng nhóm Xiumin và Chen phát hành bài hát "For You" làm nhạc phim cho bộ phim. Tháng 10 năm 2016, cùng với Chen và Xiumin, Baekhyun ra mắt với tư cách EXO-CBX, nhóm nhỏ đầu tiên của EXO.[17]

Tháng 2 năm 2017, Baekhyun và Soyou, thành viên nhóm nhạc nữ Sistar, phát hành bài hát song ca Rain.[18] Bài hát đạt vị trí thứ hai trên bảng xếp hạng nhạc số của Gaon. Tháng 4 năm 2017, anh phát hành bài hát Take You Home thuộc mùa thứ hai của dự án Station.[19] Bài hát đạt vị trí thứ 12 trên bảng xếp hạng nhạc số của Gaon.Ngày 5 tháng 2 năm 2018, Baekhyun được vinh dự hát bài quốc ca tại lễ khai mạc Đại hội đồng Olympic Quốc tế trong khuôn khổ Thế vận hội Mùa đông 2018.[20]

Vào ngày 31 tháng 8 năm 2018 Baekhyun hợp tác với rapper Loco phát hành ca khúc Young trong dự án Station X O