1998년 학원 드라마 '학교'를 통해 처음으로 안방극장에 모습을 드러냈다.
2003년 MBC 31기 배우 공채를 통해 연예계에 입문했다(3개 공채 시험 모두 '과장' 성적으로 합격).
2004년 MBC에서 다수의 단막극에 출연했지만 '행인'이나 '경찰관' 역할을 맡았다.
2005년 청춘 감동드라마 '어서!'에서 '김순'은 진순의 고인이 된 남편으로 등장했다가 뺑소니 사고를 당하고 6개월이 넘는 휴식기를 겪었다. 같은 해 김남길은 배우 강남길과 닮았다는 이유로 대중에게 혼란을 줄까 봐 예명 리한을 채택했다.
2006년 로맨스 영화 '후회하지 않는다'에 처음으로 주연을 맡았다.
김남길은 2008년 6월 설경구, 이성재와 함께 액션 영화 '대중의 적들'에 주연을 맡아 제29회 블루영화제에서 신인남우상 후보에 올랐다. 이후 강우석 감독의 제안으로 원래 예명 '리한'을 포기하고 본명을 재개했다. 지난 10월에는 박해일, 김혜수와 함께 로맨스 영화 '모던썬'에 주연을 맡았고, 제46회 대종상영화제에서 남우조연상과 남자신인상 후보에 올랐다. 지난 11월에는 사극 로맨스 영화 '뷰티픽처'에서 신윤복을 짝사랑하는 강우 역을 맡아 열연했다. 같은 해 한국 다큐멘터리 '아마존의 눈물'에서 내레이터로 활동했다.
2009년 5월 김근홍, 박홍균 공동연출의 월화드라마 '선덕여왕'에서 김규리와 함께 주연을 맡아 '빌담' 역을 맡았다. , 2009년 MBC 연기대상 우수연기상, 베스트커플상, 2010년 백상예술대상 남자신인상, MBC '2009년 가장 성공한 연예인상' 등 3관왕을 차지했다.
2010년 1월 싱글 '사랑할 수 없나요'를 녹음했다. 지난 5월에는 한가인, 오연수와 함께한 사랑 복수극 '나쁜 남자'에 출연해 액션스쿨의 다재다능한 스턴트맨 심지안수 역을 맡았다. 김남길은 지난 7월 15일 논산훈련소에 입소해 4주간의 군사훈련을 받은 뒤 공익근무요원으로 군 복무를 하게 됐다. 또한 MBC '세계와 나, W'의 '수마트라 지진 100일' 프로그램에 직접 참여하기 위해 인도네시아를 방문하기도 했다.
2012년에는 자신이 투자하고 촬영한 클래식 음악을 소재로 한 서사 다큐멘터리 <앙상블>의 프로듀서로 활동하며 제8회 제천국제음악영화제에 초청받았다. . 지난 7월, 2년간의 공익근무요원 생활이 끝났다.
2013년 5월 월화극 '상어'에서 손예진과 함께 주연을 맡아 자이언트 호텔의 사장 한이슈 역을 맡았다. 김지우와 박찬홍 감독이 공동 집필한 '복수 3부작'. 지난 7월 10일 첫 싱글 '로맨'을 발매하고 이를 계기로 일본 가수로 정식 데뷔하게 됐다. 이번 앨범에는 2010년 드라마 '선덕여왕'에서 부른 OST '사랑할 수 없나요'가 수록됐다. 그리고 다른 노래들. 7월 24일 화보집 'Way Back to the Road'와 DVD가 발매됐다. 같은 해 첫 단편 연출작 <안녕 엄마>를 촬영했다. 김남길은 2014년 사극 영화 '해적: 바다로 향하는 도적'에서 손예진과 공동 주연을 맡아 전설적인 도적 두목 장시징 역을 맡았다. 같은 해 김남길과 전도연은 폭력조직에 갇힌 형사와 여자의 이야기를 그린 액션 스릴러 영화 '로그'에 처음으로 함께 출연했다. 2015년 영화 '판도라'에서는 김남길과 김명민이 주연을 맡아 가족과 나라를 구하기 위해 고군분투하는 재혁 역을 맡았다.
2016년 영화 '마이 엔젤'에 출연했다.
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