2010年，還是高中生的呂星辰，成為了章明導演的電影《郎在對門唱山歌》的女一號。呂星辰憑此片收獲了第十四屆上海國際電影節最佳女演員金爵獎影后 、上海國際電影節傳媒大獎最佳新人女演員、《青年電影手冊》年度新人獎、第六屆華語青年影像論壇最佳新銳女演演員獎 、第十二屆華語電影傳媒大獎最佳新演員提名、入圍中國電影協會2011年度最佳女演員等一系列獎項和榮譽。
2011年，呂星辰再次在章明導演的電影《十愛》出演女主角，并一人分飾兩角，演繹了時空相隔二十年，不同時代背景下，兩位性格迥異的年青女性的愛情和人生起伏。
2012年，呂星辰出演陳靜導演執導的電影《紫香槐下》女主角，飾演一位性格開朗活潑，思想新潮解放的時尚青年教師“葉小蘇”，在劇中以孫女的身份與電影表演藝術家許還山同臺競技。
2013年，呂星辰主演了輕喜劇電影《9號女神》，準確地刻畫出了女主人公在農村和城市兩種不同的空間生活場景中，從怨恨、嫉妒、釋然、成全的復雜愛情中慢慢成長的心路歷程。該片由章明導演擔任總導演。
2015年，首次出演電視劇的呂星辰便擔綱主演了根據《潛伏》作者龍一的小說改編的諜戰電視劇《代號》，在劇中以豪門大家閨秀的身份，盡顯民國女性端莊高貴的氣質和優雅睿智的風韻。
2016年，在古裝科幻劇《天淚傳奇之鳳凰無雙》中飾演淑妃。
2017年，在強情節都市情感劇《真愛的謊言之破冰者》中飾演一位外表柔弱、實則性格堅韌的醫生黃馨月，在她的身上集合著理智與情感等多重糾葛的感情線索；同年，參演都市愛情電影《桃源》。
2018年，呂星辰主演了榮獲上海國際電影節CFPC優秀電影項目及中國電影導演協會第3屆青蔥計劃5強項目的《日光之下》 ，與新世相合作《晚安女孩》、《凌晨四點的重慶》等廣告短片拍攝；同年主演由康洪雷執導的電視劇《父親的草原母親的河》；主演《故人如夢》 等電影。
2019年4月9日，搭檔楊仕澤、蔡知辰、馮建宇、任宥綸等主演的愛奇藝自制劇《晨陽》開播，在劇中飾演女一號關潔（薩維卡）；12月31日，與白百何、張子楓、魏大勛合作主演的電影《親愛的新年好》上映。
2020年11月27日，主演的國產文藝片《日光之下》上映，她在片中飾演因沒有戶口即將失業的少女谷溪。
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