1997年,参演由香港导演陈果执导的《香港制造》,饰屠中秋并获得了第17届香港电影金像奖最佳新人奖,同年顺利签约到刘德华的公司,正式出道。1998年,继续参演由香港导演陈果执导的剧情片《去年烟花特别多》,通过出演吴家璇一角提名第18届香港电影金像奖最佳男配角。李灿森1999年,与谢霆锋,冯德伦,吴彦祖等共同出演由陈木胜执导的电影《特警新人类》。2000年,联合冯德伦,陈冠希出演由陈木胜执导的《特警新人类2》。2002年,与洼冢洋介,Arata,中村狮童共同主演由日本漫画改编而成的电影版《乒乓》,饰演乒乓球手孔文革。2004年,与李丽珍,徐锦江共同主演现代枪战片《枪缘》,饰演女主角的弟弟。2005年,在电视剧《仙剑奇侠传》中饰演幼年王小虎。合照2006年,出演由香港导演郑保瑞执导的动作片《狗咬狗》,在片中扮演一个被大人世界愚弄,忽视的乖张男生形象,并凭借该片提名第43届台湾电影金马奖最佳男主角。同年,出演由张一白执导的电影《夜·上海》,饰演一位地道的日文翻译。2007年,在由陈木胜执导的动作电影《男儿本色》中饰演何永强一角。2009年,与蒋璐霞共同主演由熊欣欣导演,马伟豪监制的女性时装动作电影《战无双》。2010年,出演苏万聪,唐基明共同执导的电视剧《怒火街头》,在剧中扮演丁家富。同年,出演由曾志伟,张学友共同主演的贺岁片《72家租客》。李灿森2012年,联合郑嘉颖,胡杏儿共同主演由梁家树,陈维冠执导的电视剧《怒火街头2》。同年,出演由中国和日本合作拍摄,香港导演梁徳森执导的惊悚电影《幻影凶灵》。2013年,与柳岩,钟丽缇共同出演由香港导演梁德森执导的悬疑片《人间蒸发》,饰华人警探木下。同年,与周秀娜,刘羽琦共同主演惊悚电影《冷瞳》,在片中饰演由周秀娜扮演的苏雨辰的未婚夫。2014年,参演由陈嘉上和郑中基联合执导的奇幻夺宝喜剧电影《神秘宝藏》。同年,出演由钟澍佳执导的幽默都市励志电影《男人不可以穷》。2015年,出演由香港导演林岭东执导的警匪动作枪战片《谜城》。同年,与包贝尔共同出演由徐峥自导自演的喜剧电影《港囧》。2020年,以潮流召集人的身份参加创意潮人挑战真人秀《潮玩人类在哪里》。2021年12月17日,与陈小春联袂主演的电影《再战江湖》上线。2022年3月10日,主演的悬疑剧《黑金风暴》播出；8月5日,主演的电影《黄金大逃狱》将播出。
李灿森的妻子是梁志莹,一名设计师,2006年,两人成为恋人关系。2012年11月17日,李灿森与梁志莹举行婚礼。2018年3月28日,李灿森升级做爸爸,与梁志莹的第一个女儿出生。
李灿森电影剧照李灿森没有英俊的外表和完美的身材,却有敏锐的潮流触觉,表演不着痕迹能适应各种角色,在众多他担当绿叶搞笑电影中都能散发出种种不同的气质和光芒。李灿森自小叛逆,纹身穿鼻环是家常便饭,经常做出一些出格的事儿。经常被爸妈哥姐们轮流用衣架打,但也只会乖一两天,以后又依然如故。
2018年2月20日早上7点多,李灿森驾车途经太子道东期间,遇到警务人员在一个加油站外面的路障进行反酒后驾驶行动中被截查,经酒精呼气测试,证实超标,以涉嫌酒后驾驶罪名被捕,暂准保释外出,须在3月下旬回警署报到,案件交由东九龙总区交通部跟进。