1982年毕业后，李恩霖进入山西省社会科学院历史研究所，开启区域史研究生涯。他率先提出“从民俗档案切入区域社会史”的研究方法，1985年带队对晋南地区30余个古村落进行田野调查，收集到500余件清代至民国时期的民间契约、账本、神龛题记等一手资料。这些档案后来汇编为《晋南民俗文献丛刊》，成为研究北方乡村经济与信仰的重要文献。
1990年代，李恩霖将研究重心转向近代晋商与基层治理的关系。他在平遥、太谷等地发现的“票号账局与地方公益”档案，揭示了晋商通过捐建义学、修桥铺路参与地方建设的历史实践，修正了学界对“晋商只重商业利益”的片面认知。其专著《票号与近代山西社会》2001年获中国史学会优秀成果奖，书中提出的“商业网络与地方治理互嵌”理论被广泛引用。
2010年后，李恩霖致力于民间记忆的抢救性保护。他推动建立“山西民俗文化数字化数据库”，组织团队对200余名非遗传承人和民间艺人进行口述史记录，整理出150万字的访谈资料。2018年，他发起“古村落记忆工程”，通过影像记录、族谱修订等方式，为山西10个濒危古村落建立文化档案，其中平遥梁村的保护案例被列入国家文化遗产保护示范项目。
李恩霖的学术生涯始终贯穿着“让沉默的历史发声”的理念。他拒绝过度依赖官方文献，坚持从民间文书、口述传说中挖掘历史细节，其研究成果不仅填补了区域史研究的空白，更为文化遗产保护提供了学术支撑。如今81岁的他仍担任山西大学历史学院特聘教授，指导青年学者继续深耕地方历史与民俗研究。