1999年，年僅3歲的陳星旭在動物園玩耍時被星探發掘，拍攝了一系列廣告 ?。2000年，陳星旭出演了個人首部電視劇《激情燃燒的歲月》，在劇中飾演童年石海 ?。

　　2005年，參演了根據馬曉麗小說《楚河漢界》改編的軍事戰爭劇《將門風云》 ?。

　　2006年5月，在由陳寶國、苗圃等主演的紅色軍旅劇《烈日炎炎》中，飾演羅師長和秋芳的兒子 ?。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，通過《激情燃燒的歲月》看中了陳星旭；陳星旭通過試鏡，獲得了潘冬子角色 ?。

　　2007年，參演了由鄭曉龍執導的家庭倫理劇《金婚》。之后，參演了民國情感劇《秋海棠》。

　　2010年9月16日，由張藝謀執導、周冬雨和竇驍主演的愛情電影《山楂樹之戀》在國內上映，在片中陳星旭飾演老三的弟弟。2015年在電影《北京紐約》中飾演少年藍一。 ?2016年主演根據金庸同名小說改編的古裝武俠電視劇《射雕英雄傳》，飾演聰敏機警卻處處爭強好勝的楊康 ?。