2010年4月，通過偶像人間劇場Mnet《你是我的哥哥》亮相；6月，以infinite組合出道，擔當主唱。2011年，infinite發行首張韓語正規專輯《OVER THE TOP》，其中收錄南優鉉SOLO曲《時間啊》。2012年10月，成為SBS歌謠大戰限定組合Dramatic Blue一員。2014年3月，拍擋key組成限定組合Toheart，發布首張專輯《Toheart》；5月，infinite發行第二張韓語正規專輯《Season 2》，其中收錄南優鉉SOLO曲《閉上你的眼睛》；7月，南優鉉主演的KBS青少年電視劇《High School: Love On》開播；10月，南優鉉為SBS電視劇《摩登農夫》獻唱OST《當愛情來的時候》；2016年3月，參演個人首部電影《蒙堂分校奧運會》；5月9日，發行首張個人迷你專輯《Write》。
2011年6月，南優鉉出演黃智善《風啊，吹吧》MV飾演男主角；7月，infinite發行首張韓語正規專輯《OVER THE TOP》，其中收錄南優鉉SOLO曲《時間啊》；9月，在MBC《音樂中心》擔任特別MC；10月，南優鉉參加KBS《不朽的名曲2》2011年10至15期比賽選手。
2012年，演出音樂劇《光化門戀歌》與隊友金聖圭輪流飾演志龍一角；5月及6月，於SBS《人氣歌謠》擔任特別MC；8月，南優鉉確定出演MBC金曜劇《第一千個男人》飾演優鉉；10月，成為SBS歌謠大戰限定組合Dramatic Blue 一員並於年末SBS《歌謠大戰》演唱組合單曲《美到流淚》；12月，南優鉉擔任Melon Music Awards MC；22日，南優鉉和隊友金聖圭參加KBS《不朽的名曲2》，帶來改編自宋大官的名曲《太陽升起之日》。
2014年3月，南優鉉和SHINee成員key組成限定組合Toheart，發布首張迷你專輯《Toheart》；4月，Toheart發行後續單曲《Tell me why》，以後續曲活動；5月，南優鉉確定出演KBS青少年電視劇《High School Love On》飾演雙主角之一的申優賢；21日，infinite發行第二張韓語正規專輯《Season 2》，其中收錄南優鉉SOLO曲《閉上你的眼睛》；6月，南優鉉在SBS《人氣歌謠》擔任特別MC；8月，南優鉉在SBS《人氣歌謠》擔任特別MC；10月，南優鉉為SBS電視劇《摩登農夫》獻唱OST《當愛情來的時候》；12月4日，INFINITE首部音樂的電影《GROW:INFINITE的真實青春生活》上映並於12月8日公開該電影由南優鉉作曲的主題曲《一起》。
