2000年毕业于北京电影学院表演系本科。
一九九八年,史光辉开启了他的演艺生涯,在首部电视剧《表演系的故事》中出演了秦川一角。次年,他参与了以中国石油工业改革历程为背景的电视剧《黄土地蓝土地》的拍摄。进入二〇〇〇年,他在电视剧《希望之城》中饰演了角色郎建。同年,史光辉还拍摄了一系列个人写真。二〇〇一年,他与张潮、孙炎龙共同主演了由导演戚健执导的电影《棒球少年》,在片中他扮演了一位深受孩子们喜爱的棒球教练何为;也是在这一年,他参演了话剧《狂飙》,并在剧中以男扮女装的形象与演员印晓天合作,演唱了经典的锡剧小调《双推磨》。二〇〇二年,他与胡军、苏瑾、许亚军等演员联袂主演了一部聚焦都市爱情与命运搏杀的电视剧《热血痴心》;同年,他凭借在作品《棒球少年》中的出色表现,荣获了第十届中国电影童牛奖优秀成人演员奖。二〇〇三年,他参演了国内首部深度揭示证券市场“庄家”现象的电视剧《坐庄》,饰演了角色张大江。二〇〇四年,他主演了一部深刻反映社会残酷现实的话剧《青春禁忌游戏》。到了二〇〇六年,他与刘钧、马境、王晓等合作,主演了关注地震孤儿群体成长历程的电视剧《唐山孤儿》,在剧中他饰演了苏淮南。二〇〇八年,他主演了根据作家李唯获奖小说改编的电视剧《跟我的前妻谈恋爱》,成功塑造了幽默而善良的角色张琪。二〇一〇年,他在由苏有朋、吴佩慈、袁成杰主演的惊悚题材电影《密室之不可告人》中饰演了白秀清。二〇一一年,他主演了以二十世纪七十年代末知青返城潮为背景的电视剧《返城年代》,饰演了知青独立营营长林超然;同年,他还与陈逸恒、王新军、朱杰、马睿等共同主演了电视剧《无法伤悲》。二〇一二年,他主演了抗战题材电视剧《独狼》,扮演了突击队队员易楠;同一年,他在王新军、黄小蕾、郭常辉主演的电视剧《铁血传奇之独立营》中饰演了张国才一角。二〇一三年十二月,由颜丹晨、祖峰、史光辉主演的抗日谍战题材电视剧《独狼》在天津卫视、云南卫视及辽宁卫视同步播出。二〇一四年,他出演了电视剧《我和她的传奇情仇》,在剧中饰演厉晨星。二〇一九年六月,他与王雅捷、王挺等演员合作主演的都市情感剧《哥哥姐姐的花样年华》正式与观众见面。直至二〇二二年四月六日,他参演的当代农村题材剧《青山不墨》也顺利播出。
史光辉的表演风格呈现出鲜明的即兴色彩,他常常在不干扰整体拍摄调度的基础上,主动向导演争取更多的自主发挥空间,以此让自己所塑造的角色显得更为贴近生活、更加鲜活生动。他所即兴构思的表演细节与互动方式,往往能够为剧情增添亮色,收获非常积极的现场反响与播出效果。尽管史光辉的外形并不属于传统意义上的出众类型,但他始终是一位具备独立思考与艺术追求的演员。从剧照及其公开形象来看,史光辉给予观众的第一印象往往是亲切、自然且目光敏锐,富有观察力。在导演戚健执掌的作品中,例如《坐庄》和《热血痴心》等,史光辉凭借扎实的演技,成功刻画了多个境遇各异、性格鲜明的小人物形象,展现出宽广的角色适应能力。尤其在电视剧《跟我的前妻谈恋爱》里,史光辉将那种属于普通小男人的执着、微妙与韧性淋漓尽致地灌注于张琪这一角色之中,使得人物充满真实感与感染力,他在剧中的表现也确实如其名字所寓意的那样,散发着独特而动人的“光辉”。