1973年，段奕宏出生于新疆伊寧的伊犁河邊。家里有三個孩子，段奕宏是最小的。段奕宏讀高一時，學校舉辦文藝比賽，他飾演小品《知識就是力量》中的一個小商販。上海戲劇學院導演系的一位教授看到這個小品后，就托話劇團團長給段奕宏帶話，說他應該去考藝術院校表演系，于是段奕宏就萌發了要讀表演系的念頭。高二開始，段奕宏連續三年報考中央戲劇學院。第一次未過一試；第二次在二試時失敗；第三次以中央戲劇學院西北片考生總分第一名的成績進入中戲表演系學習 ?。1998年，段奕宏以全優成績從中央戲劇學院表演系畢業 ?。

　　1998年，段奕宏進入實驗話劇院（國家話劇院） ?，同年主演首部電視劇《母親》 ?。1999年，出演《刑警本色》里的殺手羅陽，為了把殺手這個角色演好，他把一個掏槍動作練了上千遍。 ?2000年，與凱麗合作出演話劇《紀念碑》 ?；同年與王志文、江珊合作出演根據小說《比如女人》而改編的電視劇《讓愛做主》 ?。

　　2002年，主演首部電影《二弟》 ?，該片不僅入圍56屆戛納電影節一種注目單元，同年參加印度、多倫多等電影節 ?，而段奕宏亦憑借該片獲得新德里國際電影節最佳男主角獎 ?；8月，拍攝電視劇《記憶的證明》 ?。

　　2003年，段奕宏在孟京輝重排的話劇《戀愛的犀牛》中飾演馬路 ?，他為了這臺話劇還學彈吉它 ?；這臺話劇先是在上海話劇藝術中心演出5場，之后在北京人藝小劇場連演33場，隨后又開始巡演 ?；同年，段奕宏在中泰合拍片《細偉》中飾演專吃小孩心臟的殺手黃利輝，該片參展了上海國際電影節 ?。

　　2004年，段奕宏及王檸主演的大劇場版《戀愛的犀牛》在北京首都劇場演出10場，在距離演出前21天，演出票全部售空，之后《戀愛的犀牛》在北師大北國劇場加演7場； ?同年《記憶的證明》在央視熱播 ?，并且獲得了飛天獎最佳長篇電視劇、金鷹獎最佳長篇電視劇等多個獎項 ?。

　　2006年，拍攝由康洪雷執導的電視劇《士兵突擊》，飾演袁朗 ?。2007年5月起，《士兵突擊》在網絡上走紅 ?；同年該劇在各大電視臺播出后受到廣泛關注 ?；在第27屆中國電視劇飛天獎上，《士兵突擊》獲得長篇電視劇一等獎項 ?；而段奕宏也憑借該劇入圍飛天獎優秀男演員獎 ?；同名他還主演了郭志執導的電影《守望平安》。

　　2007年，與俞飛鴻合作拍攝電影《愛有來生》 ?，段奕宏在片中塑造了土匪以及僧人鬼魂兩個形象 ?。該片被部分圈內人士譽為古裝版“人鬼情未了” ?，入圍了2010年第17屆北京大學生電影節，并獲最佳處女作獎。 ?

　　2008年《士兵突擊》原班人馬在云南騰沖拍攝電視劇《我的團長我的團》，段奕宏扮演的團長龍文章為劇中的核心人物 ?。 編劇蘭曉龍說，因為看了段奕宏出演的袁朗，他才放心地寫了《我的團長我的團》里的龍文章 ?。2009年該劇在四衛視開播時創造了“零點首播”的新概念 ?；同年9月，《我的團長我的團》入圍第15屆上海電視節白玉蘭獎，獲得四項提名，其中段奕宏獲最佳男演員的提名 ?。在“上海電視節電視劇觀眾票選活動”中，段奕宏憑借龍文章一角獲得最具人氣男演員獎 ?。

　　2010年，與趙崢、王媛可、左小青共同主演的電視劇《上海，上海》在CCTV開播，劇中段奕宏飾演亦正亦邪的海派儒商劉恭正 ?。

　　2011年，段奕宏與高虎、蔣勤勤、孫海英等聯袂出演勵志商戰電視劇《大時代》，飾演傳奇商人陳頂天 ?；同年主演王全安執導的電影《白鹿原》，飾演由農民變為土匪、后又投身革命的傳奇人物黑娃 ?。

　　2012年2月10日，與李冰冰主演的都市愛情電影《我愿意 I Do》在全國上映 ?；3月出演馮小剛執導的電影《一九四二》，飾演陳布雷一角 ?；同年參演高希希導演的歷史劇《楚漢傳奇》，飾演漢初三杰之一的韓信。 ?

　　2013年5月，主演曹保平執導的電影《烈日灼心》，飾演一名刑警；12月與戚薇聯袂主演謀略題材的電視劇《謀圣鬼谷子》；同年與曾江、陳沖、廖凡聯袂主演的電視劇《海上孟府》在遼寧電視臺播出 ?。

　　2015年2月18日，在2015年中央電視臺春節聯歡晚會上，與張豐毅、朱亞文合唱歌曲《中華好兒孫》 ?；同年，主演由曹保平執導的電影《烈日灼心》，憑借該片獲第18屆上海電影節最佳男演員獎。 ?