1、2002年，主演了自己的第一部电影《二弟》，入围第56届戛纳电影节。

2、2003年，段奕宏在参加上海国际电影节的中泰合拍片《细伟》中饰演专门吃童心的杀手黄丽晖。

3、2006年还主演了郭志导演的电影《守望平安》。

4、2007年与俞飞鸿合拍电影《爱有来生》，段奕宏在其中塑造了土匪和和尚两个形象。

5、2011年，他出演了由王全安执导的电影《白鹿原》 》,饰演传奇人物黑娃，他从一个农民变成了一个土匪，然后加入了革命。

6、2012年2月10日，由李冰冰主演的都市爱情电影《我愿意 I Do》全国上映。

7、2013年5月，主演曹保平导演的犯罪悬疑片《烈日灼心》，饰演一名刑警。

8、2015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。

9、2017年主演犯罪悬疑电影《暴雪将至》，获得第30届东京国际电影节最佳男演员奖和荷兰第12届亚洲电影节最佳表演奖。11月24日，《引爆者》主演的动作犯罪电影上映。12月，主演冒险科幻电影《希望岛》。

10、2018年11月，与郭富城合作电影《秘密访客》。