2012–15: Ra mắt và khởi đầu sự nghiệp diễn xuất

D.O. được công bố là thành viên chính thức thứ tám của EXO vào ngày 30 tháng 01,[3] và sau đó ra mắt công chúng cùng nhóm vào ngày 08 tháng 04 năm 2012. Tháng 07 năm 2013, D.O. góp mặt trong bài hát Goodbye Summer nằm trong album phòng thu thứ hai Pink Tape của nhóm nhạc nữ cùng công ty f(x). Tháng 12 năm 2013, D.O. cùng hai thành viên Baekhyun và Chen thể hiện "Miracles in December", bài hát chủ đề nằm trong mini-album mùa đông cùng tên của EXO.

Tháng 09 năm 2014, D.O. đảm nhận vai diễn đầu tiên của mình trong bộ phim điện ảnh Cart với vai Choi Tae-young, một học sinh cấp ba. Trong phim, mẹ của Tae-young (diễn viên Yum Jung-ah) làm việc tại một cửa hàng tạp hóa lớn và đã đứng lên đòi lại quyền lợi cho mình sau khi bị sa thải một cách bất công.[4] Anh cũng thể hiện bài hát nhạc nền Crying Out của bộ phim.[5] Nhờ vai diễn này, anh được đề cử giải Nam diễn viên phụ xuất sắc nhất tại lễ trao giải Grand Bell Awards lần thứ 52.[6] Sau đó D.O. xuất hiện trong bộ phim truyền hình Chỉ có thể là yêu bên cạnh hai diễn viên gạo cội Gong Hyo-jin và Jo In-sung.[7] Anh đảm nhận vai Han Kang-woo, một hình tượng trong ảo tưởng của nhân vật chính Jang Jae-yeol (Jo In-sung), người mắc căn bệnh tâm thần phân liệt.[8] Vai diễn này tiếp tục giúp anh được đề cử giải Diễn viên nam mới xuất sắc nhất tại lễ trao giải Baeksang Arts Awards lần thứ 51[9] và đạt được hai giải thưởng: "Diễn viên trẻ xuất sắc nhất" tại Liên hoan phim Quốc tế Seoul lần thứ 16 và "Diễn viên mới xuất sắc nhất" tại lễ trao giải APAN Star Awards lần thứ 3.

Đầu năm 2015, D.O. được các nhà phê bình bình chọn là ca sĩ thần tượng có diễn xuất tốt nhất.[10] Tháng 6 năm 2015, anh xuất hiện với tư cách khách mời trong bộ phim truyền hình Hello Monster (I Remember You) của đài KBS trong vai tên giết người máu lạnh Lee Joon-young và tiếp tục gây ấn tượng với người xem và giới phê bình.[11][12]

2016–20: Các vai chính và nhập ngũ

Tháng 01 năm 2016, D.O. được công bố là sẽ lồng tiếng cho nhân vật chính Moongchi, một chú chó bị thất lạc chủ, trong bộ phim hoạt hình Underdog. Phim được lên kế hoạch khởi chiếu vào năm 2017[13][14] nhưng sau đó được lùi tới tận 16 tháng 1 năm 2019 mới công chiếu. Tháng 02 năm 2016, anh song ca với Yoo Young-jin trong bài hát "Tell Me What Is Love" thuộc dự án âm nhạc Station của SM Entertainment. Trước đó anh đã biểu diễn một phần của bài hát trong chuyến lưu diễn EXO from EXO Planet #1: The Lost Planet của EXO. Sau đó D.O. thủ vai nam chính bên cạnh nữ diễn viên Kim So-hyun trong bộ phim điện ảnh tình cảm nhẹ nhàng Pure Love.[15] Với vai diễn này, anh đã đạt được giải "Nam diễn viên phim điện ảnh được yêu thích nhất" tại lễ trao giải Baeksang Arts Awards lần thứ 52 (2016).

Tháng 4 năm 2016, D.O. được xác nhận tham gia bộ phim điện ảnh Thử thách thần chết: Giữa hai thế giới của đạo diễn Kim Yong-hwa bên cạnh các diễn viên như Ha Jung-woo, Cha Tae-hyun và Ju Ji-hoon. Trong phim, anh vào vai quân nhân Won - một người lính trẻ mang trong mình đầy bi kịch khi anh vô tình giết chết người đồng đội - người anh em thân yêu nhất của mình. Tháng 10 năm 2016, anh thủ vai nam chính bên cạnh nữ diễn viên Chae Seo-jin trong web drama Be Positive do Samsung sản xuất.[16] Tháng 11 năm 2016, anh được công bố là sẽ tham gia bộ phim điện ảnh Room 7, khởi quay vào tháng 01 năm 2017.[17] Tháng 11 năm 2016, anh đảm nhận vai Doo-young, một vận động viên Judo quốc gia, bên cạnh Jo Jung-suk và Park Shin-hye trong bộ phim điện ảnh Anh tôi vô số tội.[18] Anh và Jo Jung-suk cũng đã thể hiện bài hát chủ đề Don't Worry của bộ phim.[19] Cùng với năng lực diễn xuất đa dạng và không ngừng tiến bộ được thể hiện rõ nét thông qua vai diễn này, D.O. đã đạt được năm giải thưởng ở năm lễ trao giải khác nhau.

Vào năm 2018, anh tham gia bộ phim điện ảnh Swing Kids có bối cảnh trong một trại tập trung ở Bắc Triều Tiên trong Chiến tranh Triều Tiên. Anh đóng vai một người lính Bắc Triều Tiên yêu thích nhảy múa.[20] Cùng năm, anh nhận đóng vai hoàng tử trong Dear Husband of 100 Days. Bộ phim gây cơn sốt ở Hàn Quốc và đạt raitings ấn tượng khi kết thúc, đứng thứ 5 trên bảng xếp hạng raitings ở đài cáp.[21] Vai diễn này đã giúp anh giành được giải Nam diễn viên được yêu thích nhất tại lễ trao giải Baeksang Arts Awards lần thứ 55.[22]

Ngày 1 tháng 7 năm 2019, D.O. bắt đầu thực hiện nghĩa vụ quân sự.[23][24][25] Cùng ngày, anh phát hành bài hát do mình đồng sáng tác "That's Okay" thông qua dự án SM Station.[23][26] Anh sẽ xuất ngũ vào tháng 1 năm 2021.