1、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。
2、2003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。
3、2006年，他还主演了郭志执导的电影《守望平安》。
4、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。
5、2011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。
6、2012年2月10日，与李冰冰主演的都市爱情电影《我愿意 i do》在全国上映。
7、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。
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》。
10、2018年11月，与郭富城合作主演电影《秘密访客》。