1999年，袁晓旭13岁便考上了北京舞蹈学院附中的歌舞班。第一次拍摄广告由“广告导演之父”林锦和一手操刀的电视广告“卡尼尔真彩净白霜”。

2007年，与陈仙梅出演了万世忠导演的电视剧《哑女情深》 ，并在剧中饰演了哑女女儿若兰。

2008年，袁晓旭参与了北京奥运会闭幕式演出。同年，出演了李冰冰个人单曲《天使不要开玩笑》MV中的女主角。2009年，袁晓旭获得中国绿色宝贝“最上镜小姐”奖。

2010年，主演的电视剧《巅峰时代》，在剧中饰演了女主角芊慧。同年，出演了武洪武导演的电视剧《纳兰大爷》并饰演了吕豆。

2011年，出演了话剧作品《萝莉.杀》，在剧中饰演“女一号”卡洛。

2013年，与赵丽颖共同参演了宫廷剧《陆贞传奇》，并在剧中饰演了陆贞的妹妹陆珠。

2014年，与张一山共同主演军旅题材怀旧情感偶像剧《大熔炉》。

2015年，袁晓旭与韩雪、张博、印小天等主演了抗战电视剧《巨浪》。

2017年，参演由范冰冰、高云翔、严屹宽等主演的历史传奇巨制《赢天下》，饰演赵雅公主。