1999年，袁曉旭13歲便考上了北京舞蹈學院附中的歌舞班。第一次拍攝廣告由“廣告導演之父”林錦和一手操刀的電視廣告“卡尼爾真彩淨白霜”。

2007年，與陳仙梅出演了萬世忠導演的電視劇《啞女情深》 ，並在劇中飾演了啞女女兒若蘭。

2008年，袁曉旭參與了北京奧運會閉幕式演出。同年，出演了李冰冰個人單曲《天使不要開玩笑》MV中的女主角。2009年，袁曉旭獲得中國綠色寶貝“最上鏡小姐”獎。

2010年，主演的電視劇《巔峰時代》，在劇中飾演了女主角芊慧。同年，出演了武洪武導演的電視劇《納蘭大爺》並飾演了呂豆。

2011年，出演了話劇作品《蘿莉.殺》，在劇中飾演“女一號”卡洛。

2013年，與趙麗穎共同參演了宮廷劇《陸貞傳奇》，並在劇中飾演了陸貞的妹妹陸珠。

2014年，與張一山共同主演軍旅題材懷舊情感偶像劇《大熔爐》。 

2015年，袁曉旭與韓雪、張博、印小天等主演了抗戰電視劇《巨浪》。
2017年，參演由范冰冰、高雲翔、嚴屹寬等主演的歷史傳奇巨製《贏天下》，飾演趙雅公主。

袁曉旭人物評價：
生長在東北的袁曉旭有著一張精緻小巧小臉和高挺的鼻樑，笑起來的時候有種骨子裡散發出來的甜美。《啞女情深》的導演說，在試戲的時候，袁曉旭表現出來就完全不像一個新人的樣子，演技雖然生澀，但很沉穩，領悟力特別高。在新人輩出的娛樂圈裡，新人們無不力爭上位，炒作和緋聞也多見不怪，袁曉旭依舊保持著自我，低調行事，任何事情都需要她親力親為，獨當一面。(人民網評價)