2005–nay: Super Junior

Đầu năm 2005, công ty của Kibum đưa ra thông báo chính thức rằng anh sẽ ra mắt lần thứ hai với tư cách là một ca sĩ. Cùng với 11 thành viên khác, Kibum đã cùng với Super Junior 05, thế hệ đầu của Super Junior, ra mắt vào ngày 6 tháng 11 năm 2005 trên chương trình Inkigayo của đài SBS, trình diễn single đầu tay "Twins (Knock Out)". Nhóm đã phát hành album đầy đủ một tháng sau đó, và album ra mắt đã đứng thứ 3 trên bảng xếp hạng album hàng tháng MIAK K-pop.[3] Khi đợt quảng bá cho single thứ hai Miracle kết thúc, công ty của Super Junior đã chuẩn bị tuyển thành viên cho thế hệ thứ hai của nhóm, Super Junior 06, và thêm thành viên mới để thay thế vị trí của Kibum. Tuy nhiên, kế hoạch thay đổi khi công ty chỉ thêm Kyuhyun và tuyên bố sẽ không hình thành các thế hệ Super Junior tương lai nữa. Nhóm đã bỏ hậu tố "05" và chính thức trở thành Super Junior[4]. Nhóm mới đã giành được thành công lớn sau khi họ phát hành CD single đầu tiên U vào mùa hè 2006, và đã trở thành single thành công nhất của Super Junior trong các bảng xếp hạng âm nhạc cho đến trước khi album thứ 3 "Sorry, Sorry" được tung ra, đưa họ giành được vị trí No.1 lần đầu tiên trong sự nghiệp âm nhạc của mình.

Thời gian đầu ra mắt, Kibum đã tạm rời xa các hoạt động diễn xuất của mình để hoạt động cùng với Super Junior, đặc biệt là trong thời gian quảng bá album thứ hai của nhóm, Don't Don cho đến cuối năm 2007 và Tour diễn vòng quanh châu Á lần thứ nhất, Super Show vào đầu năm 2008. Don't Don đã trở thành album bán chạy thứ hai Hàn Quốc trong năm 2007,[5] trong khi album Super Show's live concert cũng có thứ hạng cao ở cả Hàn Quốc, Thái Lan và Đài Loan.

Kibum được biết đến với khả năng rap bằng tiếng Anh khá tốt và còn là một trong những lead rappers của Super Junior. Trong khoảng thời gian đầu kể từ khi nhóm ra mắt, Kibum cũng tích cực xuất hiện trên các chương trình truyền hình (variety shows), ví dụ như Love Letter hay các chương trình khác của Hàn Quốc để góp phần quảng bá cho nhóm

Ngay cả sau hai lần debut thì Kibum vẫn tiếp tục là một lựa chọn hàng đầu của các hãng quảng cáo, là một ngôi sao đại diện cho nhiều sản phẩm ở Hàn Quốc. Kibum được chọn là người đại diện cho hãng nước hoa "12 Plus" của Thái Lan cùng với thành viên khác của Super Junior là Siwon vào đầu năm 2008. Tuy nhiên sau đó thì vai trò của anh đã được chuyển sang cho thành viên khác trong nhóm là Donghae khi hãng này cho ra mắt một sản phẩm 12 Plus mới "roll-on".

Trong năm 2009, Super Junior phát hành album thứ ba của họ, Sorry, Sorry. Khi quảng bá cho đĩa đơn đầu tiên, Sorry, Sorry, Kibum đã vắng mặt trong suốt thời gian quảng bá khiến nhiều người suy đoán rằng anh sẽ rời bỏ Super Junior. Công ty của họ, SM Entertainment, cùng các thành viên khác đã phủ nhận điều này. Khi Super Junior ra mắt đĩa đơn thứ hai, It's you, Kibum đã vắng mặt một lần nữa trong tất cả các buổi diễn. SM cuối cùng cũng đưa ra một thông báo rằng Kibum đang bận rộn với các kế hoạch solo, và tái khẳng định rằng anh vắng mặt trong các hoạt động quảng bá là do có sự ưu tiên riêng của mình, và khẳng định anh sẽ không rời khỏi Super Junior. Công ty cũng xác nhận rằng Kibum sẽ không tham gia trong tour diễn của nhóm vào tháng 7 năm 2009, Super Show II do chấn thương bàn chân, vốn cần đến 6 tuần nghỉ ngơi khỏi các hoạt động thể chất. Sau khi Sorry, Sorry - Answer phát hành, Kibum hoàn toàn không tham gia bất kỳ video hay bài hát nào nữa. Trong single It's you, anh thậm chí không hát chút nào. Kibum cũng đã tiết lộ kế hoạch của mình trong tương lai gần, mặc dù anh vẫn không hề tiết lộ cụ thể. Anh nói, "Hiện tại, tôi đang trong quá trình chuẩn bị cho vở kịch và phát hành bộ phim truyền hình. Việc tôi có tham gia album thứ tư hay không, hay sẽ tiếp tục các hoạt động solo, hoặc tiếp tục diễn xuất, thì sẽ cần quá trình trao đổi kĩ hơn với công ty của tôi."

Thực tế là trong suốt album vol 4 Bonamana phát hành tháng 5 năm 2010, Kibum cũng không hề tham gia một chút nào vì còn tập trung cho sự nghiệp diễn xuất của mình.

Ngày 1 tháng 8 năm 2011, Super Junior đã ra mắt album thứ 5 Mr. Simple chỉ với 10 thành viên giống như vol 4, không hề có Kibum. Anh chính thức rời công ty quản lý SM Entertainment vào ngày 20/8/2015