1999年，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，在都市愛情片《北京·紐約》中飾演少年藍一 。2017年1月9日，主演的根據金庸同名小說改編，蔣家駿執導，郭靖宇監制的古裝武俠電視劇《射雕英雄傳》在東方衛視播出，在劇中陳星旭飾演聰敏機警卻處處爭強好勝的楊康 。

2018年5月，主演軍事題材網絡電影《滅狼行動》 。2019年2月14日，根據匪我思存同名小說改編的古裝言情劇《東宮》在優酷播出，陳星旭在劇中飾演步步為營、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，在湖南衛視《逐夢航天——2019“中國航天日”文藝晚會》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價值演員獎 。

2020年1月5日，主演的軍事電影《滅狼行動》在愛奇藝上線，在片中陳星旭飾演特種兵王周揚，在一次聯合行動中痛失戰友，隱忍籌謀多年后搭檔特警之王肖克，與黑暗勢力展開了一場驚心動魄的生死對決 。5月1日，主演的古裝奇幻網絡電影《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絡電影演員獎 。11月16日，主演的中國首部以高鐵機車發展為時代背景的現代都市勵志劇《最好的時代》登陸湖南衛視，陳星旭在劇中飾演男主角李延峰，與林真一、譚靖州齊心協力研發高速鐵路新技術、推動中國高速鐵路邁進劃時代臺階 。

2021年4月13日，與李易峰搭檔主演火箭軍題材電視劇《號手就位》開播，在劇中飾演火箭軍歐陽俊 ；10月14日，與蓋玥希主演的懸疑網劇《真相》在優酷播出，在劇中飾演痕檢技術人員林遠昊 ；11月9日，與張婧儀共同主演的民國言情劇《一見傾心》在優酷播出，并在劇中譚家軍少帥譚玹霖 。

陳星旭雖出生于沈陽，但因為媽媽到北京做生意，所以帶著他來到北京，并讓他在北京海淀區外國語實驗學校讀小學 。初高中均就讀于北京舞蹈學院附屬中學。2014年，陳星旭以表演系專業第一名的成績考入中央戲劇學院。

2021年7月，為河南暴雨災情捐款20萬元 。

氣質上最接近，身上有股童真，和城市里的許多孩子不太一樣，不裝小大人，所以在氣質上接近近代時的孩子（李暉評） 。

在拍攝《閃閃的紅星》時，雖然出場時穿著一身紅軍的軍裝，但在生活中陳星陽還是個稚氣未脫的孩子，活潑機靈的樣子非常可愛（新華京報評） 。

陳星旭和兒時的祝新運頗有幾分神似，雖然看上去吃不了苦，但陳星旭在拍戲時把吃苦當成了家常便飯，還學會了苦中作樂（現代快報評）。

在《東宮》中，陳星旭形象過關、演技在線，不管是明凈透亮的顧小五，還是心機重重的李承鄞，他都演繹得非常到位（光明日報評） 。