1999年，陳星旭在動(dòng)物園玩耍時(shí)被星探發(fā)掘，拍攝了一系列廣告 。2000年，陳星旭出演了個(gè)人首部電視劇《激情燃燒的歲月》，在劇中飾演童年石海 。2005年，參演了根據(jù)馬曉麗小說(shuō)《楚河漢界》改編的軍事戰(zhàn)爭(zhēng)劇《將門風(fēng)云》 。
2006年5月，在由陳寶國(guó)、苗圃等主演的紅色軍旅劇《烈日炎炎》中，飾演羅師長(zhǎng)和秋芳的兒子 。12月，近代紅色兒童電視劇《閃閃的紅星》制片方在尋找潘冬子演員時(shí)，通過(guò)《激情燃燒的歲月》看中了陳星旭；陳星旭通過(guò)試鏡，獲得了潘冬子角色 。
2007年，參演了由鄭曉龍執(zhí)導(dǎo)的家庭倫理劇《金婚》。之后，參演了民國(guó)情感劇《秋海棠》。2010年9月16日，由張藝謀執(zhí)導(dǎo)、周冬雨和竇驍主演的愛(ài)情電影《山楂樹之戀》在國(guó)內(nèi)上映，在片中陳星旭飾演老三的弟弟。
2015年，在都市愛(ài)情片《北京·紐約》中飾演少年藍(lán)一 。2017年1月9日，主演的根據(jù)金庸同名小說(shuō)改編，蔣家駿執(zhí)導(dǎo)，郭靖宇監(jiān)制的古裝武俠電視劇《射雕英雄傳》在東方衛(wèi)視播出，在劇中陳星旭飾演聰敏機(jī)警卻處處爭(zhēng)強(qiáng)好勝的楊康 。
2018年5月，主演軍事題材網(wǎng)絡(luò)電影《滅狼行動(dòng)》 。2019年2月14日，根據(jù)匪我思存同名小說(shuō)改編的古裝言情劇《東宮》在優(yōu)酷播出，陳星旭在劇中飾演步步為營(yíng)、腹黑心狠的太子殿下李承鄞，他也是情深似海、相思不悔的顧小五 。4月24日，在湖南衛(wèi)視《逐夢(mèng)航天——2019“中國(guó)航天日”文藝晚會(huì)》上彈鋼琴與彭小苒合唱《小星星》 。5月9日，在MODERN NIGHT OUT全球先生之夜中獲得摩登商業(yè)價(jià)值演員獎(jiǎng) 。
2020年1月5日，主演的軍事電影《滅狼行動(dòng)》在愛(ài)奇藝上線，在片中陳星旭飾演特種兵王周揚(yáng)，在一次聯(lián)合行動(dòng)中痛失戰(zhàn)友，隱忍籌謀多年后搭檔特警之王肖克，與黑暗勢(shì)力展開了一場(chǎng)驚心動(dòng)魄的生死對(duì)決 。5月1日，主演的古裝奇幻網(wǎng)絡(luò)電影《倩女幽魂：人間情》在騰訊視頻上線，陳星旭憑寧采臣一角獲得騰訊視頻星光大賞年度網(wǎng)絡(luò)電影演員獎(jiǎng) 。11月16日，主演的中國(guó)首部以高鐵機(jī)車發(fā)展為時(shí)代背景的現(xiàn)代都市勵(lì)志劇《最好的時(shí)代》登陸湖南衛(wèi)視，陳星旭在劇中飾演男主角李延峰，與林真一、譚靖州齊心協(xié)力研發(fā)高速鐵路新技術(shù)、推動(dòng)中國(guó)高速鐵路邁進(jìn)劃時(shí)代臺(tái)階 。
2021年4月13日，與李易峰搭檔主演火箭軍題材電視劇《號(hào)手就位》開播，在劇中飾演火箭軍歐陽(yáng)俊 ；10月14日，與蓋玥希主演的懸疑網(wǎng)劇《真相》在優(yōu)酷播出，在劇中飾演痕檢技術(shù)人員林遠(yuǎn)昊 ；11月9日，與張婧儀共同主演的民國(guó)言情劇《一見(jiàn)傾心》在優(yōu)酷播出，并在劇中譚家軍少帥譚玹霖 。
