1、2002年,主演個人首部電影《二弟》,該片入圍56屆戛納電影節一種注目。
2、2003年,段奕宏在中泰合拍片《細偉》中飾演專吃小孩心髒的殺手黃利輝,該片參展了上海國際電影節。
3、2006年,他還主演了郭志執導的電影《守望平安》。
4、2007年,與俞飛鴻合作拍攝電影《愛有來生》,段奕宏在片中塑造了土匪以及僧人鬼魂兩個形象。
5、2011年主演王全安執導的電影《白鹿原》,飾演由農民變為土匪、後又投身革命的傳奇人物黑娃。
6、2012年2月10日,與李冰冰主演的都市愛情電影《我願意 I Do》在全國上映。
7、2013年5月,主演由曹保平執導的犯罪懸疑片《烈日灼心》,飾演一名刑警。
8、2015年憑借犯罪懸疑片《烈日灼心》獲得第18屆上海電影節最佳男演員獎。
9、2017年,主演犯罪懸疑片《暴雪将至》并憑借該片獲得第30屆東京國際電影節最佳男演員獎以及第12屆荷蘭亞洲電影節最佳表演獎;11月24日,主演的動作犯罪電影《引爆者》上映;12月,主演冒險科幻電影《希望島》。
10、2018年11月,與郭富城合作主演電影《秘密訪客》。
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