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(mén)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(shù)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(kāi)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(chē)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(kāi)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 。
陳星旭雖出生于沈陽(yáng)，但因?yàn)閶寢尩奖本┳錾?，所以帶著他?lái)到北京，并讓他在北京海淀區(qū)外國(guó)語(yǔ)實(shí)驗(yàn)學(xué)校讀小學(xué) 。初高中均就讀于北京舞蹈學(xué)院附屬中學(xué)。2014年，陳星旭以表演系專(zhuān)業(yè)第一名的成績(jī)考入中央戲劇學(xué)院。
2021年7月，為河南暴雨災(zāi)情捐款20萬(wàn)元 。
氣質(zhì)上最接近，身上有股童真，和城市里的許多孩子不太一樣，不裝小大人，所以在氣質(zhì)上接近近代時(shí)的孩子（李暉評(píng)） 。
在拍攝《閃閃的紅星》時(shí)，雖然出場(chǎng)時(shí)穿著一身紅軍的軍裝，但在生活中陳星陽(yáng)還是個(gè)稚氣未脫的孩子，活潑機(jī)靈的樣子非?？蓯?ài)（新華京報(bào)評(píng)） 。
陳星旭和兒時(shí)的祝新運(yùn)頗有幾分神似，雖然看上去吃不了苦，但陳星旭在拍戲時(shí)把吃苦當(dāng)成了家常便飯，還學(xué)會(huì)了苦中作樂(lè)（現(xiàn)代快報(bào)評(píng)）。
在《東宮》中，陳星旭形象過(guò)關(guān)、演技在線，不管是明凈透亮的顧小五，還是心機(jī)重重的李承鄞，他都演繹得非常到位（光明日?qǐng)?bào)評(píng)） 。
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