El 14 de febrero, D.O. fue revelado como el octavo integrante del nuevo grupo de SM Entertainment, EXO.
D.O. fue presentado en el teaser numero 16 junto a su compañero Suho. Luego el día 29 de enero del 2012, se lanzo el vídeo musical de sencillo prologo debut de EXO-K, 'What Is Love' junto a su compañero Baekhyun.
En julio de 2013, D.O. realizo una colaboración con f(x) en la canción 'Goodbye Summer', como parte de su segundo álbum completo 'Pink Tape'. Él fue el primer integrante de EXO en colaborar en canciones de otros artistas.
En diciembre de 2013, D.O., junto con sus compañeros Baekhyun y Chen, lanzaron una balada especial de Navidad titulada 'Miracles in December', que ganó varios premios en los Show de Música, recibió elogios por sus habilidades en el canto.
En el año 2014, D.O. cantó 'Tell Me What Is Love' en la primera gira de conciertos EXOPLANET: THE LOST PLANET de EXO. La canción ha sido especialmente compuesta y arreglada por el destacado compositor de SM Entertainment, Yoo Young Jin.
El 16 de febrero de 2016, SM Entertainmentlanzó un vídeo prólogo del próximo artista que participaría de su proyecto SM Station, reportando que D.O lanzará el segundo sencillo digital del proyecto el 19 de Febrero, titulado 'Tell Me (What is Love)', el sencillo fue escrito y arreglado por Yoo Young Jin.
