2015年1月18日中午，在中超诸强冬歇期转会愈演愈烈的背景下，自于大宝后一直沉寂的北京国安俱乐部宣布上赛季效力于河南建业队的23岁边后卫李磊加盟球队，下赛季这位前国青悍将将身披御林军3号战袍征战中超联赛。

2015年3月17日，北京国安在亚冠小组赛第三轮主场2-0战胜浦和红钻，李磊在第42分钟替补登场上演国安生涯首秀。不过在加盟国安的首个赛季，李磊并没有成为球队的主力。2015赛季，李磊各项赛事为北京国安出场15次，其中联赛10次，没有取得进球或助攻。

2016赛季，李磊更多的时间依然是坐在替补席上。2016年9月21日，北京国安在联赛第18轮补赛主场3-0战胜延边富德，李磊首发打满全场，并在第36分钟助攻奥古斯托打进1球。整个2016赛季，李磊共为北京国安出场15次，送出1个助攻。

2017赛季，李磊开始成为北京国安队主力。也是在这个赛季，于洋回归北京国安并重新穿上3号球衣，李磊则接过了离队老将周挺的4号球衣。2017年4月21日，北京国安在联赛第6轮主场1-1战平天津权健，李磊在第82分钟打进扳平比分的一球，这是他加盟国安后的首粒正式比赛进球。2017赛季，李磊为北京国安各项赛事出场30次，打进2球送出3次助攻。

2018赛季，李磊原本在国安阵中出场时间稳定，但在2018年7月28日，中超第14轮北京国安2-2战平上海申花的比赛第90分钟，李磊受伤无法坚持被换下场。2018赛季中国足协杯，北京国安一路过关斩将打进决赛。决赛对阵山东鲁能，国安总比分与对手战成3-3平，凭借客场进球优势夺得冠军。李磊在决赛前及时从伤病中康复，决赛的两回合全部首发打满全场。本赛季联赛中仅出场9次，未取得进球，送出2次助攻。

2019年2月23日，在2019赛季中国超级杯北京中赫国安0-2不敌上海上港集团足球俱乐部的比赛中，李磊获得首发并打满90分钟，完成个人在2019赛季的首次出场。3月30日，在2019赛季中超联赛第3轮北京国安1-0战胜北京人和足球俱乐部的比赛中，李磊在第61分钟助攻于大宝破门，完成个人在2019赛季中超联赛的首次助攻。4月9日，在亚冠联赛小组赛G组第3轮北京国安3-1战胜武里南联足球俱乐部的比赛中，李磊在第2分钟助攻塞德里克·巴卡姆布破门，完成个人在亚冠联赛的首次助攻。2019赛季，李磊代表北京中赫国安出场25次，场均登场84.8分钟，贡献3次助攻。

2020年1月，李磊入选联赛优秀中国籍球员技术档案库。2020年7月26日，北京中赫国安对阵重庆当代的比赛中，李磊打进一记世界波，与此同时，本场比赛是李磊代表国安的第100场比赛。当赛季在亚冠赛场，国安打进八强，在1/4决赛中0-2不敌蔚山现代，李磊为国安出战了其中7场亚冠联赛。本赛季联赛中出场17次，进1球，送出2次助攻。

2021赛季中超联赛依然采用赛会制，2021年4月23日，北京国安在联赛首轮1-2不敌上海申花，李磊为球队在比赛最后时刻扳回一球，连续两个赛季在联赛首轮即取得进球。2021年12月29日，在李磊离队留洋前的最后一场比赛，他戴上队长袖标为北京国安首发出战，最终球队1-1与山东泰山战平。本赛季联赛中出场19次，进1球，送出2次助攻。

2021年12月20日，瑞士苏黎世草蜢足球俱乐部官宣李磊于2022年1月加盟，并在2021-22赛季冬季转会窗完成注册。李磊身披4号球衣。

2022年2月6日，瑞士超级联赛第20轮，草蜢主场对阵苏黎世，李磊第77分钟作为替补首次代表草蜢队在正式比赛中出场。2月13日，瑞士超第21轮，草蜢客场挑战洛桑体育。上半场施密特助攻莫莫破门，下半场李磊助攻莫莫取得双响，最终草蜢2-0击败洛桑体育。3月4日，瑞士超第24轮，草蜢主场对阵卢加诺，李磊首次代表草蜢队首发并打满全场。3月18日，草蜢官方宣布，李磊在训练中右内收肌肌肉撕裂，预计伤缺四周，无缘12强赛最后两轮比赛。4月17日，瑞超第30轮，伤愈复出的李磊代表草蜢队首发登场。

2021-22赛季，李磊代表草蜢7次出场，其中2次首发，奉献1次助攻，帮助草蜢队成功保级。

2022年8月11日，瑞超联赛第1轮补赛客场挑战卢塞恩，李磊时隔116天再次代表草蜢首发出战，但在第78分钟因伤离场。北京时间9月4日下午，瑞士草蜢足球俱乐部通过官方渠道确认，李磊已伤愈复出，并重返训练场。本赛季联赛中出场7次，送出1次助攻。

2023年2月28日，瑞士超级联赛球队草蜢队官方宣布：经过双方协商，李磊与草蜢决定终止合同。李磊在草蜢队效力了13个月，期间共为草蜢出场13次，贡献1次助攻。

2023年3月30日，李磊再度加盟北京国安足球俱乐部。7月3日，中超联赛第14轮，北京国安在客场1-0战胜成都蓉城，李磊上半场在回防过程中遭遇伤病。7月4日，国安官方发布伤情公告：李磊左大腿股二头肌轻度水肿，另有一处横型水肿，需要3-5天急性期后二次核磁确诊。7月23日，国安俱乐部官方公布伤情公告：李磊于7月21日复查已经恢复80%水平，完全康复还需要7-10天左右。本赛季联赛中出场21次，未取得进球。

2024年4月21日，中超第7轮，李磊助攻王子铭替补包抄破门，帮助北京国安以4-1战胜青岛西海岸取主场首胜。4月30日，中超第9轮迎来“京津德比”，李磊达成个人中超生涯200场里程碑，帮助北京国安在客场1-0击败天津津门虎。5月11日，中超第11轮，李磊助攻林良铭建功，帮助北京国安以3-2逆转战胜梅州客家。5月19日，北京国安发布伤情报告，李磊左足距腓前韧带撕裂，预计伤缺8周。6月22日，足协杯第4轮，李磊送过顶球助攻于大宝破门，帮助北京国安以4-0战胜苏州东吴晋级晋级16强。9月14日，中超第25轮，李磊助攻曹永竞头球扳回一城，帮助北京国安2-2战平成都蓉城。9月20日，中超第26轮，李磊头球破门，帮助北京国安在客场3-1战胜梅州客家。本赛季联赛中出场21次，进1球，送出3次助攻。

2010年6月份，李磊同样被国家足协召入到国青队，还参加了在淄博召开的亚青赛。

2013-14年在建业效力期间，李磊还入选了U22国家队，与国安球员雷腾龙、谭天澄都是队友。

2019年8月21日，为备战2022年卡塔尔世界杯亚洲区预选赛预赛阶段（四十强赛）的比赛，中国足协公布国家队35人集训名单，李磊入选。8月30日，中国国家男子足球队公布参加广州集训的26人名单，李磊入选。9月7日，国足公布世预赛首战24人名单，李磊入选。9月26日，中国之队官方公布国足新一期大名单，李磊入选。10月29日，中国足协公布了新一期中国男足集训大名单，李磊在列。

2020年9月29日，李磊入选中国足协公布的男子国家足球队集训名单。2021年1月，李磊入选中国国家男子足球队集训大名单。2021年5月10日，李磊入选中国足协公布的中国男足集训名单。

2023年11月，入选中国男足国家队参加2026年美加墨世界杯亚洲区预选赛36强赛24人大名单。2023年12月12日，李磊入选中国国家男子足球队参加2023年亚足联亚洲杯26人大名单。

2024年3月17日，入选国足出征2026年世界杯预选赛36强赛的26人名单。6月11日，世预赛亚洲区第二阶段C组第6轮，国足客场挑战韩国队，球队公布本场比赛23人名单，李磊为后卫。同日，在进行的2026年美加墨世界杯亚洲区预选赛36强赛C组最后一轮比赛中，李磊随中国队0比1不敌韩国队。8月，入选国足公布世预赛18强赛大名单。 9月7日，球队主力左后卫刘洋因左脚脚踝旧伤复发离队接受治疗，李磊成为国足下场比赛主力左边后卫的第一人选。9月30日，李磊入选国足备战10月份世界杯亚洲区预选赛18强赛的集训名单。

李磊已婚并拥有两个孩子。于2022年5月9日母亲节这一天，他在自己的社交媒体上发布了一张全家福，并配文写道：“两个妈，两个孩子的妈，两个将来要当妈。母亲节快乐，永远爱你们。”

很高兴看到李磊加盟草蜢！他是名中国国脚，能给球队带来许多经验。希望他能很好地适应瑞士足球和文化，并在下半赛季给球队带来帮助。（草蜢技术总监奥洛芬加纳 评）

不管训练还是比赛，他的态度和执行力都是最好的。2016年下半年开始，他就逐渐获得更多的出场时间，左后卫或左中卫都可以打。后来在高水平外教和外援的带动下，国安的整体实力有了很大提升，李磊的个人能力和对比赛的理解也进步得很快。（前国安主帅谢峰 评）

2017年10月，当时在北京国安效力的球员李磊，因一段3分钟左右的视频在网上热传，引发了“袭警门”事件。视频中，李磊与飞机上的乘务员理论，随后他与妻子拒绝按照机组人员的指示离开飞机，并因此被民警强制带离。在飞机上，李磊因情绪激动，将一个矿泉水瓶摔在地上，并试图进入驾驶舱与机长交涉。乘务组进行劝阻但无效，机场分局警察到场后，李磊及其妻子依然拒绝合作。最终在警察告知其必须离开飞机后，李磊夫妇被依法强制带离。对此事件，李磊于2017年10月7日通过微博回应“谢谢大家的关心，给大家添麻烦了，晚安”，以此结束了对此事件的话题。