Năm 2011, Lê Công Hoàng theo chị gái đi dự một buổi casting cho một bộ phim nghệ thuật của đạo diễn Phan Đăng Di, khi đó đang mới làm đến phim thứ 2. Chị gái Lê Công Hoàng không qua phút thứ ba nhưng vì tiếc công chờ cả buổi sáng nên nói em trai vào thử. Đạo diễn Phan Đăng Di vừa nhìn Công Hoàng đã có cảm giác chàng trai 20 tuổi này phù hợp với nhân vật Vũ, nhân vật chính trong tác phẩm điện ảnh tiếp theo của anh mang tên Cha và con và... (2015).[4] Bộ phim sau đó trở thành bộ phim Việt Nam đầu tiên lọt vào vòng tranh giải Gấu Vàng của Liên hoan phim Berlin, 1 trong 3 Liên hoan phim lớn nhất thế giới.[5][6]

Năm 2019, Công Hoàng đóng một vai phụ trong phim Thưa mẹ con đi của đạo diễn Trịnh Đình Lê Minh. Tác phẩm này đi tranh giải tại Liên hoan phim quốc tế Busan và một số liên hoan phim tại Mỹ và Đài Loan. Năm 2021, Công Hoàng đóng vai Ngọc hồi trẻ (diễn viên Thái Hòa đóng khi trưởng thành) trong phim truyền hình ăn khách Cây táo nở hoa[7], cùng năm anh còn tham gia vào phim ngắn Người Hộ Tang của đạo diễn Đỗ Quốc Trung [8]

Năm 2022, Công Hoàng nhận đóng vai chính trong bộ phim ngắn Biến mất ở thư viên, chuyển thể từ truyện ngắn cùng tên của nhà văn Nguyễn Ngọc Tư, do Trịnh Đình Lê Minh làm đạo diễn.[9][10] Cùng năm, Hoàng nhận được vai chính thứ 2 trong tác phẩm điện ảnh Tro tàn rực rỡ của đạo diễn Bùi Thạc Chuyên, bộ phim được chuyển thể truyện ngắn Củi mục trôi về và Tro tàn rực rỡ của nhà văn Nguyễn Ngọc Tư.[11] Lê Công Hoàng còn tham gia vai thứ chính trong phim Culi không bao giờ khóc của đạo diễn Phạm Ngọc Lân - một dự án thắng giải ở nhiều chợ dự án phim thế giới. Cả hai phim đều dự kiến ra mắt tại các liên hoan phim quốc tế 2022 và 2023.