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?。坏谌我灾醒霊騽W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?！吩诒本┦锥紕鲅莩?0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。 ?