Karier akting Kim Nam Gil dimulai dengan peran kecil dalam drama KBS School 1 pada 1998 dengan karakter Min Soo. Ia kemudian memenangkan audisi MBC dan sempat menggunakan nama panggung Lee Han. Pada 2006, Kim Nam Gil membuat keputusan berani dengan mengambil peran utama dalam film independen No Regret, berperan sebagai homoseksual bernama Song Jae Min.
Titik balik dalam kariernya terjadi setelah kembali menggunakan nama asli, Kim Nam Gil. Peran sebagai Bi-dam dalam The Great Queen Seondeok (2009) menjadi fenomena dan melambungkan namanya ke jajaran aktor papan atas.
Sejak itu, Kim Nam Gil terus membintangi drama dan film sukses, termasuk Bad Guy (2010), The Fiery Priest (2019), lalu Through the Darkness (2022).
Pada pengujung tahun 2022, Kim Nam Gil kembali tampil dalam drama Korea populer Island, di mana ia beradu akting dengan bintang ternama lainnya, yakni Cha Eun Woo dan Lee Da Hee.