1998年，段奕宏进入中国国家话剧院工作。
1999年，出演电视剧《刑警本色》。
2003年，出演娄烨执导电影《颐和园》。
2003年，凭借电影《二弟》获得印度新德里国际电影节最佳男主角奖。
2006年，因出演电视剧《士兵突击》中的袁朗一角而成名。
2009年，在电视剧《我的团长我的团》中饰演龙文章。
2011年，主演王全安执导的电影《白鹿原》，饰演黑娃；同年凭借电影《西风烈》获得第13届中国电影表演艺术学会金凤凰奖学会奖。
2013年12月，主演的电视剧《海上孟府》播出。
2015年1月19日，参加央视羊年春晚，并演唱歌曲《中华好儿孙》；
6月21日，凭借电影《烈日灼心》获得第18届上海国际电影节最佳男演员奖。
2017年3月31日，其出演的动作缉毒警匪电影《非凡任务》上映；
11月3日，凭《暴雪将至》获得第30届东京国际电影节最佳男演员奖，成为中国内地首位获得两次国际A类电影节最佳男演员奖的演员。
2017年12月，被评为年度吸引力明星。