1973年,段奕宏出生于新疆伊宁的伊犁河边。家里有三个孩子,段奕宏是最小的。段奕宏读高一时,学校举办文艺比赛,他饰演小品《知识就是力量》中的一个小商贩。上海戏剧学院导演系的一位教授看到这个小品后,就托话剧团团长给段奕宏带话,说他应该去考艺术院校表演系,于是段奕宏就萌发了要读表演系的念头。高二开始,段奕宏连续三年报考中央戏剧学院。第一次未过一试；第二次进了三试,但最终还是落选；第三次以中央戏剧学院西北片考生总分第一名的成绩进入中戏表演系学习。1998年,段奕宏以全优成绩从中央戏剧学院表演系毕业。
1998年,段奕宏进入实验话剧院,同年主演个人首部电视剧《母亲》。1999年,在警匪剧《刑警本色》中饰演杀手罗阳,为了把杀手这个角色演好,他把一个掏枪动作练了上千遍。2000年,与凯丽合作出演话剧《纪念碑》；同年与王志文,江珊合作出演根据小说《比如女人》而改编的爱情剧《让爱做主》。段奕宏2002年,主演个人首部电影《二弟》,该片入围56届戛纳电影节一种注目单元并于同年参加印度,多伦多等电影节,而段奕宏亦凭借该片获得第34届新德里国际电影节最佳男主角奖；8月,主演历史剧《记忆的证明》。2003年,段奕宏在孟京辉重排的话剧《恋爱的犀牛》中饰演马路,他为了这台话剧还学弹吉它；这台话剧先是在上海话剧艺术中心演出5场,之后在北京人艺小剧场连演33场,随后又开始巡演；同年,段奕宏在中泰合拍片《细伟》中饰演专吃小孩心脏的杀手黄利辉,该片参展了上海国际电影节。2004年,段奕宏及王柠主演的大剧场版《恋爱的犀牛》在北京首都剧场演出10场,在距离演出前21天,演出票全部售空,之后《恋爱的犀牛》在北师大北国剧场加演7场；同年《记忆的证明》获得飞天奖最佳长篇电视剧,金鹰奖最佳长篇电视剧等多个奖项。2006年,主演由康洪雷执导的军事动作剧《士兵突击》,饰演袁朗。2007年5月起,《士兵突击》在网络上走红；同年该剧在各大电视台播出后受到广泛关注；在第27届中国电视剧飞天奖上,《士兵突击》获得长篇电视剧一等奖项；而段奕宏也凭借该剧入围飞天奖优秀男演员奖；同名他还主演了郭志执导的电影《守望平安》。2007年,与俞飞鸿合作拍摄电影《爱有来生》,段奕宏在片中塑造了土匪以及僧人鬼魂两个形象。该片入围了2010年第17届北京大学生电影节,并获最佳处女作奖。2008年,《士兵突击》原班人马在云南腾冲拍摄电视剧《我的团长我的团》,段奕宏扮演的团长龙文章为剧中的核心人物。编剧兰晓龙说,因为看了段奕宏出演的袁朗,他才放心地写了《我的团长我的团》里的龙文章。2009年该剧在四卫视开播时创造了“零点首播”的新概念；同年9月,《我的团长我的团》入围第15届上海电视节白玉兰奖,获得四项提名,其中段奕宏获最佳男演员的提名。在“上海电视节电视剧观众票选活动”中,段奕宏凭借龙文章一角获得最具人气男演员奖。2010年,与赵峥,王媛可,左小青共同主演的电视剧《恋曲尘封》在CCTV开播,在剧中段奕宏饰演亦正亦邪的海派儒商刘恭正。《楚汉传奇》饰演韩信2011年,段奕宏与高虎,蒋勤勤,孙海英等联袂出演励志商战电视剧《大时代》,饰演传奇商人陈顶天；同年主演王全安执导的电影《白鹿原》,饰演由农民变为土匪,后又投身革命的传奇人物黑娃。2012年2月10日,与李冰冰主演的都市爱情电影《我愿意IDo》在全国上映；3月出演冯小刚执导的剧情片《一九四二》,在剧中饰演陈布雷一角；同年参演高希希导演的历史剧《楚汉传奇》,饰演汉初三杰之一的韩信。2013年5月,主演由曹保平执导的犯罪悬疑片《烈日灼心》,饰演一名刑警；12月,与戚薇联袂主演谋略题材的电视剧《谋圣鬼谷子》；同年与曾江,陈冲,廖凡联袂主演的年代剧《海上孟府》在辽宁电视台播出。2015年2月18日,在2015年中央电视台春节联欢晚会上,与张丰毅,朱亚文合唱歌曲《中华好儿孙》；同年,凭借犯罪悬疑片《烈日灼心》获得第18届上海电影节最佳男演员奖；同年,主演电视剧《古城小女人》,本剧改编自曹禺夫人李玉茹鸿篇巨著《小女人》。2017年,主演犯罪悬疑片《暴雪将至》并凭借该片获得第30届东京国际电影节最佳男演员奖以及第12届荷兰亚洲电影节最佳表演奖；11月24日,主演的动作犯罪电影《引爆者》上映；12月,主演冒险科幻电影《希望岛》。2020年8月20日,参演的电影《一刀天堂》在厦门正式开机；12月1日,与张鲁一,邬君梅合作主演的古装历史剧《大秦赋》播出,在剧中饰演嬴政仲父吕不韦。2021年5月1日,与郭富城合作主演电影《秘密访客》上映；9月9日,监制并主演的悬疑动作网剧《双探》播出；9月30日,特别主演的战争片《长津湖》上映；10月13日,与郝蕾,祖峰,吴越,邢岷山等主演的家庭悬疑网剧《八角亭谜雾》在爱奇艺迷雾剧场播出。2022年2月1日,主演的电影《长津湖之水门桥》上映。2022年9月15日,《抗战中的文艺》发布全明星阵容,段奕宏影像出演。11月,参加2022中国金鸡百花电影节暨第35届中国电影金鸡奖开幕式。11月18日,参演的文献话剧《抗战中的文艺》在网络全平台线上演播。12月,CCTV6在报道中提及段奕宏将出演电影《伟大的战争》。2023年9月28日,主演的电影《志愿军：雄兵出击》上映。6月14日,参演的哔哩哔哩现实主义科幻故事集《明日生存指南》官宣,在《记忆通道》篇章中饰演罗风。6月28日,由段奕宏主演的《超感迷宫》开机。9月29日,主演的电视剧《明日生存指南》开播。《最后的99天》饰演肖鹏《白鹿原》饰演黑娃段奕宏杂志图集《海上孟府》饰演孟文禄
2002年,段奕宏和女演员王瑾在拍摄电视剧《记忆的证明》时相恋。2011年6月12日,段奕宏和王瑾在北京举行婚礼。
2018年2月,某快餐品牌携手中国国家博物馆推出“国宝耀中华”系列活动,以国宝文物为载体让传统文化焕发光彩,段奕宏出席活动并被授予宣传推广大使称号。第十六届FIRST青年电影展超短片单元评审2022年6月,段奕宏担任第十六届FIRST青年电影展超短片单元评审。
段奕宏凭借着自己的实力得到了众多导演的垂青。他努力地演戏,勤勤恳恳地工作,用自己的表演给作品加分。无论是《士兵突击》中潇洒不羁的老A队长袁朗,还是《上海,上海》里儒雅大气的上海商业传奇人物刘恭正,段奕宏以一次次突破自我,风格迥异的表演获得了业内的认可。个人写真段奕宏以演技和实力演绎着每部戏中的角色,演绎着自己与众不同的星途,观众对他真面目的认识也因他演绎的角色而蒙上一层美丽而神秘的面纱。细看段奕宏的作品单,很难找到同类型的角色。无论角色,还是表达方式,不墨守成规都是他对自己的要求。观众惊异于他一人千面的演技：下一部片子和上一部片子里完全是两个人,甚至面相都不同。段奕宏精湛,细腻的演技经常得到圈内人士,观众的赞赏,但他从未骄纵过。段奕宏给人的感觉是淡定,宠辱不惊。