2010年，还是高中生的吕星辰，成为了章明导演的电影《郎在对门唱山歌》的女一号。吕星辰凭此片收获了第十四届上海国际电影节最佳女演员金爵奖影后 、上海国际电影节传媒大奖最佳新人女演员、《青年电影手册》年度新人奖、第六届华语青年影像论坛最佳新锐女演演员奖 、第十二届华语电影传媒大奖最佳新演员提名、入围中国电影协会2011年度最佳女演员等一系列奖项和荣誉。

2011年，吕星辰再次在章明导演的电影《十爱》出演女主角，并一人分饰两角，演绎了时空相隔二十年，不同时代背景下，两位性格迥异的年青女性的爱情和人生起伏。

2012年，吕星辰出演陈静导演执导的电影《紫香槐下》女主角，饰演一位性格开朗活泼，思想新潮解放的时尚青年教师“叶小苏”，在剧中以孙女的身份与电影表演艺术家许还山同台竞技。

2013年，吕星辰主演了轻喜剧电影《9号女神》，准确地刻画出了女主人公在农村和城市两种不同的空间生活场景中，从怨恨、嫉妒、释然、成全的复杂爱情中慢慢成长的心路历程。该片由章明导演担任总导演。

2015年，首次出演电视剧的吕星辰便担纲主演了根据《潜伏》作者龙一的小说改编的谍战电视剧《代号》，在剧中以豪门大家闺秀的身份，尽显民国女性端庄高贵的气质和优雅睿智的风韵。

2016年，在古装科幻剧《天泪传奇之凤凰无双》中饰演淑妃。

2017年，在强情节都市情感剧《真爱的谎言之破冰者》中饰演一位外表柔弱、实则性格坚韧的医生黄馨月，在她的身上集合着理智与情感等多重纠葛的感情线索；同年，参演都市爱情电影《桃源》。

2018年，吕星辰主演了荣获上海国际电影节CFPC优秀电影项目及中国电影导演协会第3届青葱计划5强项目的《日光之下》 ，与新世相合作《晚安女孩》、《凌晨四点的重庆》等广告短片拍摄；同年主演由康洪雷执导的电视剧《父亲的草原母亲的河》；主演《故人如梦》 等电影。

2019年4月9日，搭档杨仕泽、蔡知辰、冯建宇、任宥纶等主演的爱奇艺自制剧《晨阳》开播，在剧中饰演女一号关洁（萨维卡）；12月31日，与白百何、张子枫、魏大勋合作主演的电影《亲爱的新年好》上映。

2020年11月27日，主演的国产文艺片《日光之下》上映，她在片中饰演因没有户口即将失业的少女谷溪。