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《特种兵王之绝不妥协》。

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》。4月29日，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》开机，陈星旭在剧中饰演男主角李延峰。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。