1999年,陈星旭在动物园玩耍时被星探发掘,拍摄了一系列广告 。2000年,陈星旭出演了个人首部电视剧《激情燃烧的岁月》,在剧中饰演童年石海 。2005年,参演了根据马晓丽小说《楚河汉界》改编的军事战争剧《将门风云》 。
2006年5月,在由陈宝国、苗圃等主演的红色军旅剧《烈日炎炎》中,饰演罗师长和秋芳的儿子 。12月,近代红色儿童电视剧《闪闪的红星》制片方在寻找潘冬子演员时,通过《激情燃烧的岁月》看中了陈星旭;陈星旭通过试镜,获得了潘冬子角色 。
2007年,参演了由郑晓龙执导的家庭伦理剧《金婚》。之后,参演了民国情感剧《秋海棠》。2010年9月16日,由张艺谋执导、周冬雨和窦骁主演的爱情电影《山楂树之恋》在国内上映,在片中陈星旭饰演老三的弟弟。
2015年,在都市爱情片《北京·纽约》中饰演少年蓝一 。2017年1月9日,主演的根据金庸同名小说改编,蒋家骏执导,郭靖宇监制的古装武侠电视剧《射雕英雄传》在东方卫视播出,在剧中陈星旭饰演聪敏机警却处处争强好胜的杨康 。
2018年5月,主演军事题材网络电影《灭狼行动》 。2019年2月14日,根据匪我思存同名小说改编的古装言情剧《东宫》在优酷播出,陈星旭在剧中饰演步步为营、腹黑心狠的太子殿下李承鄞,他也是情深似海、相思不悔的顾小五 。4月24日,在湖南卫视《逐梦航天——2019“中国航天日”文艺晚会》上弹钢琴与彭小苒合唱《小星星》 。5月9日,在MODERN NIGHT OUT全球先生之夜中获得摩登商业价值演员奖 。
2020年1月5日,主演的军事电影《灭狼行动》在爱奇艺上线,在片中陈星旭饰演特种兵王周扬,在一次联合行动中痛失战友,隐忍筹谋多年后搭档特警之王肖克,与黑暗势力展开了一场惊心动魄的生死对决 。5月1日,主演的古装奇幻网络电影《倩女幽魂:人间情》在腾讯视频上线,陈星旭凭宁采臣一角获得腾讯视频星光大赏年度网络电影演员奖 。11月16日,主演的中国首部以高铁机车发展为时代背景的现代都市励志剧《最好的时代》登陆湖南卫视,陈星旭在剧中饰演男主角李延峰,与林真一、谭靖州齐心协力研发高速铁路新技术、推动中国高速铁路迈进划时代台阶 。
2021年4月13日,与李易峰搭档主演火箭军题材电视剧《号手就位》开播,在剧中饰演火箭军欧阳俊 ;10月14日,与盖玥希主演的悬疑网剧《真相》在优酷播出,在剧中饰演痕检技术人员林远昊 ;11月9日,与张婧仪共同主演的民国言情剧《一见倾心》在优酷播出,并在剧中谭家军少帅谭玹霖 。