1982年，毕业之后，李建义就进入了国家话剧院。做着行政工作的同时也在不断地尝试着各种角色。在坚持话剧表演的同时，配音也是李建义重视的另一个领域。

1984年，主演由周康渝执导的故事片《二零八客机》并饰演蒋一鸣一角。

1994年，李建义出演电视剧《三国演义》，并饰演谋士陈宫，其中他还是该剧的主要配音员。

1995年，接演了话剧《伐子都》，这部戏展现了他精湛的演技，为他的事业带来重大的改变。从那时开始，李建义的演艺生涯开始步入高峰期，随后各种影视剧邀约也纷纷而来。

1999年，与陈道明、修宗迪、萨拉·格莱宾联袂主演历史故事片《我的1919》，饰演王正廷。

2003年，与邓超、潘虹、霍思燕联袂主演古装剧《少年天子》，剧中饰演一头银发的大太监吴良辅，凭借精彩演绎也为他赢得了第14届北京影视春燕奖最佳男配角奖。

2008年，主演由王剑男执导的两幕喜剧《物理学家》，他出演物理学家默比乌斯。

2009年，李建义在《这是最后的斗争》中接替雷恪生饰演一版温文儒雅何光明一角，以轻松自如的表演风格诠释这个退伍军人的形象。

2010年，与杨青领衔主演参演由苏蓬执导话剧《有一种毒药》，李建义饰演一个终日酗酒、生活在半梦半醒中的酒鬼父亲。

2011年，与王刚、李明启、刘佳联袂主演现代剧《你是我的幸福》，饰演设计院副院长严芒。

2012年，与冯远征、梁丹妮、秦卫东领衔主演都市情感剧《幸福向前走》，饰演操心老爸佟光达。

2013年，主演有中国版“史密斯夫妇”之称的电视剧《零下三十度》，在剧中饰演老牌特务钱子恩，与于和伟饰演父子。

2014年，参演由谭锐铭、寇占文联合执导的古装爱情剧《错点鸳鸯》，李建义饰演奸商苏光平；并参演年代励志青春抗战剧《毕业歌》和年代情感励志剧《我们的纯真年代》，分别饰演洪涧琛和尤国臣 ；同年出演由李少飞执导的都市家庭情感剧《港媳嫁到》。

2015年，参与张婉婷执导的电影《三城记》，在影片中扮演男主角道龙（刘青云饰）的父亲。

2016年，加盟国内反腐第一大剧《人民的名义》，饰演省检察院检察长季昌明。同年。参演都市情感励志话题剧《好运来临》，饰演一位生活闲适的退休厂长“苏建设”。

2017年10月，参演谍战剧《天衣无缝》，在剧中饰演贵闻珽。

2018年2月15日，2018年中央电视台春节联欢晚会，李建义与林永健、李明启、杨少华、王丽云、李琦、李成儒、杨紫、戴春荣、白凯南、张立、蒋诗萌、郭金杰等表演小品《为您服务》。3月27日，三国题材权谋古装剧《三国机密之潜龙在渊》在腾讯视频上线，李建义在剧中饰演贴身宦官张宇，对刘协有着一片赤胆忠心。

2019年7月18日，参演的电影《银河补习班》上映，饰演阎主任。8月13日，参演的青春运动励志剧《极限17：羽你同行》播出，在剧中饰演小娜爷爷。12月31日，特别出演的电影《亲爱的新年好》上映。