段旭宇自小在北京长大，对歌唱与舞蹈展现出浓厚的兴趣，早年曾在蓝天幼儿艺术团接受过系统的艺术培训。在演艺启蒙阶段，他便积累了丰富的表演经验，不仅参与了多个商业广告的拍摄，包括某知名汽车品牌与某品牌电器的广告作品，还曾在北京卡酷动漫频道的片头拍摄中亮相。2005年，他登上《青春万岁》文艺晚会的舞台，并在其中扮演了吉祥物福娃的角色，进一步展现了其舞台表现力。次年，段旭宇在新丝路少儿模特晋级赛中脱颖而出，凭借出色的表现荣获冠军，这为他日后在演艺领域的发展奠定了良好的基础。
二零零七年，段旭宇出席了《残奥会倒计时一周年》的启动仪式，开启了其演艺生涯的重要一步；同年十月十一日，他与知名演员王志文、许晴以及刘晓虎联袂出演的悬疑情感大戏《宽恕》正式登陆荧屏，吸引了众多观众的关注。进入二零零八年，他参演了由王奕开执导的古装题材电视剧《珍宝》，进一步拓宽了戏路；九月一日，其出演的民国情感剧《妈妈为我嫁》如期播出，在剧中他生动诠释了角色洪振刚的童年时期，展现了其作为童星的表演潜力；同年十二月四日，由著名导演陈凯歌执导的剧情电影《梅兰芳》在中国内地全面上映，段旭宇在片中饰演了梅艳芳的儿子，这部作品不仅是他演艺道路上的一座里程碑，也标志着他首度登上大银幕，正式开启了电影演员的生涯。 二零零九年，适逢新中国成立六十周年，段旭宇荣幸地担任了《复兴之路》系列活动中“学习雷锋好榜样”篇章的领舞，以舞蹈形式传递正能量；八月十三日，他参演了汇聚章子怡、范冰冰、何润东等巨星阵容的爱情电影《非常完美》，在片中饰演苏菲的儿子，其表现获得了更多关注；同年，他与王迦拿、易烊千玺共同组建了男子演唱组合“飞炫少年”，由此正式宣告进军华语乐坛，开启了音乐事业的新篇章；十一月二十七日，随组合受邀参与“圆西部孩子的音乐梦想”公益晚会，并深情演唱了歌曲《青苹果乐园》，用音乐传递温暖与希望。 二零一零年二月四日，他受邀登上北京电视台“倾国倾城”百城春节晚会的舞台；四月二十三日，随飞炫少年参加了北京电视台举办的文化活动《书香北京-文化盛典》；同年，组合参与了山东卫视的民间文艺秀节目《中华达人》，凭借出色的才艺展示与舞台魅力，一路过关斩将，最终成功摘得该节目的冠军荣誉；九月二十一日，飞炫少年又亮相河南省第十一届运动会开幕式，为盛事献上精彩演出。 二零一一年，段旭宇继续随组合活跃于各大卫视的元旦晚会，先后登上了北京电视台与山东电视台的元旦晚会舞台；同年，他还参与了《精彩乐翻天》、《中国达人秀》等多档电视节目的录制工作，增加了曝光度；也是在这一年，由于成员易烊千玺的退出，飞炫少年组合调整为段旭宇与王迦拿两人继续活动。 二零一二年一月七日，飞炫少年在庄严的人民大会堂发布了全新单曲《少年更自强》，意义非凡；一月十五日，段旭宇与王迦拿一同出席了电影《逆战》的首映仪式，并在其中分别担任了周杰伦与谢霆锋的替身，积累了宝贵的幕后经验。 二零一四年八月八日，在首届“榜样少年”颁奖典礼上，段旭宇经历了严格的层层选拔，从超过三百名竞争者中脱颖而出，最终荣获“多才多艺榜样少年”的称号，并因此获得了组建专业艺术团体、代表中国青少年参与国际文化交流活动的宝贵资格。 二零一八年六月，段旭宇与谢松江携手重组飞炫少年组合，并推出了重组后的首支单曲《you don’t know》；八月二十七日，组合再度发力，推出了另一首单曲《冲锋》；九月二十六日，他与谢松江以表演嘉宾的身份，出席了第三届金海鸥国际新媒体影视周，展现了组合的舞台实力。 二零一九年，段旭宇作为参赛选手加入了爱奇艺推出的青年励志综艺节目《青春有你第一季》，在激烈的竞争中一路拼搏，最终在百强进六十强的环节中遗憾止步。二零二零年，他转而参加了优酷制作的少年青春逐梦同行成长类综艺《少年之名》，经过多轮角逐，最终取得了第十七名的成绩；同年十二月二十七日，他发布了个人首支单曲《You don't know》，标志着其个人音乐事业的独立启航。 二零二二年三月十三日，段旭宇推出了全新的个人单曲《迟来的我》；同年，他两度受邀登上中央电视台综艺频道（CCTV-3）的音乐类节目《天天把歌唱》，先后演唱了歌曲《You don’t know》和《我是如此相信》，通过国家级平台展现了其歌唱实力。二零二三年八月二十三日，段旭宇以“A.D.”为名发布的新歌《巅（Gitty Up）》正式在全平台上线，为其音乐作品序列再添重要一笔。
二零零八年，段旭宇参与了北京电视台为宣传奥运会所制作的公益广告拍摄工作。次年，即二零零九年十一月二十七日，他作为“飞炫少年”组合的成员之一，出席了主题为“圆西部孩子的音乐梦想”的慈善晚会。在晚会上，他与组合成员共同获颁了志愿者证书，以表彰并鼓励他们为推动西部地区儿童音乐教育事业、助力孩子们实现音乐梦想所付出的努力与贡献。到了二零一零年，段旭宇继续投身公益事业，他与“飞炫少年”的成员们一道，将团队通过演出等活动所得的一万元人民币，捐赠给了三位来自贫困山区的小朋友，用以支持他们的学习与生活。这一持续性的善举也使得段旭宇及其所在组合获得了社会各界的认可，并荣获了当年“圆梦中国年度公益新星奖”的称号。
段旭宇在《梅兰芳》和《非常完美》这两部电影作品里均贡献了令人印象深刻的表演，展现出其作为演员的可塑性。凭借多年积累的丰富舞台经验，他在《少年之名》的初次亮相中便取得了不俗的成绩，甫一登场，那扑面而来的清新少年气息便深深触动了观众，其在舞台上的演绎更是从容不迫、收放自如，充满了动人的感染力。从这次初舞台的全面表现来看，可以清晰地观察到段旭宇具备十分扎实的舞蹈功底，每一个动作都衔接流畅、干净利落，整套表演行云流水，在舞台灯光的巧妙烘托下，他宛若灵动的人间精灵，既展现出强劲酷飒的力量感，又把握着恰到好处的节奏与分寸，整体表现十分突出；尤其在进行唱跳结合的部分时，他成功点燃了现场气氛，带来了震撼炫目的舞台效果。当日的整体服装造型以白色系为主，在清爽干净的视觉基调中更凸显出一份独特的酷帅气质，加之其过硬的业务能力，这些因素共同使他获得了观众们的广泛关注。在演唱歌曲《You Don’t Know》的过程中，段旭宇则呈现出与以往不同的面貌，区别于先前歌曲的强烈节奏感和舞台爆发力，他于此展现了一种少年成长后逐渐沉淀下来的、属于半熟年纪的沉稳与内敛。段旭宇与谢松江共同以青春里特有的那份懵懂而温暖的愛意，演绎出抚慰黑暗中孤独旅人的情感主题；在相应的音乐录影带中，段旭宇以一身牛仔装扮亮相，在光影交织下，他的身体随着音乐旋律自然摆动，那个劲酷的他依然散发着青春独有的鲜活生命力。此外，在金海鸥国际新媒体影视周盛典的舞台上，段旭宇与飞炫少年成员们依旧保持着简洁大方的造型风格，他们以自信娴熟的舞台表演、洒脱不羁的唱跳风格，将一种既张扬外放又不失坚定内核的个性魅力淋漓尽致地呈现给了所有观众。