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》。
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