1999年，年仅3岁的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，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，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，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，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。10月，与李易峰搭档主演火箭军题材电视剧《号手就位》。
2020年，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。6月，与张婧仪共同主演民国言情剧《一见倾心》，并在剧中谭家军少帅谭玹霖。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。
倩女幽魂：人间情2020-5-1 饰演宁采臣 导演林珍钊 主演李凯馨
灭狼行动2020-01-05 饰演周扬 导演薛文华 主演彭皓锋、李瑞超
头条里的青春中国 2019-09-27 饰演未知 导演史剑、姚伟 主演周冬雨、朱一龙
三生三世十里桃花2017-08-03 饰演礼仪官 导演赵小丁、安东尼·拉默里纳拉 主演刘亦菲、杨洋
北京纽约2015-03-06 饰演少年蓝一 导演李晓雨 主演刘烨、林志玲
山楂树之恋2010-09-16 饰演老三弟弟 导演张艺谋 主演窦骁
最好的时代2020-11-16 饰演李延峰 导演刘国权 主演胡冰卿
一见倾心2020（开机时间） 饰演谭玹霖 导演林健龙、陈国华 主演陈星旭、张婧仪、林彦俊
东宫2019-02-14 饰演李承鄞/顾小五 导演李木戈 主演彭小苒
号手就位2019（开机时间） 饰演欧阳俊 主演李易峰
射雕英雄传2017-01-09 饰演杨康 导演蒋家骏 主演孟子义、杨旭文、李一桐
苏东坡2012-10-07 饰演少年宋哲宗 导演王文杰 主演陆毅
秋海棠2007-11-18 饰演童年袁绍衡 导演何群、赵劲、郑桦 主演辛柏青、黄奕
烈日炎炎2007-10-03 饰演罗粮库 导演邱国强 主演陈宝国、苗圃
再生缘之孟丽君传2007-10-01 饰演小皇太子 导演李惠民、谢益文 主演李冰冰、黄海冰、孙兴
金婚 2007-09-13 饰演童年大宝 导演郑晓龙 主演张国立、蒋雯丽
闪闪的红星2007-07-17 饰演潘冬子 导演李辉 主演尼格木图、赵梓存
将门风云2006-06-24 饰演童年周南征 导演郑晓龙
你是我的命2006 饰演童年唐浩 导演朴哲洙
曹雪芹2003 饰演榴儿 导演王静 主演庹宗华
激情燃烧的岁月2001-10 饰演童年石海 导演康洪雷 主演孙海英、吕丽萍
2020-12-20 腾讯视频星光大赏“年度网络电影演员”奖 倩女幽魂：人间情 （获奖）
2019-12-10 第二十六届华鼎奖中国古装电视剧最佳男演员 （提名）
2019-05-09 全球先生之夜摩登商业价值演员 （获奖）
电视剧《闪闪的红星》导演李晖评价陈星旭跟童年祝新运（电影版潘冬子扮演者）
气质上最接近，身上有股童真，和城市里的许多孩子不太一样，不装小大人，所以在气质上接近近代时的孩子（李晖评）。
在拍摄《闪闪的红星》时，虽然出场时穿着一身红军的军装，但在生活中陈星阳还是个稚气未脱的孩子，活泼机灵的样子非常可爱（新华京报评）。
陈星旭和儿时的祝新运颇有几分神似，虽然看上去吃不了苦，但陈星旭在拍戏时把吃苦当成了家常便饭，还学会了苦中作乐（现代快报评）。
在《东宫》中，陈星旭形象过关、演技在线，不管是明净透亮的顾小五，还是心机重重的李承鄞，他都演绎得非常到位（《光明日报》评）。
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