1980年4月20日，陈国辉出生于中国香港。他自幼喜爱绘画。1992年，12岁的陈国辉跟随父母前往美国生活。之后，考入美国纽约视觉艺术学院学习电影。1993年，自编自导个人首部电影《拼盘》，该片入围戛纳国际电影节“导演双周”单元，他凭借该片获得圣丹斯电影节最佳编剧奖。

1994年，担任古装电影《伦文叙老点柳先开》的美术师。2001年，陈国辉回到香港。2007年，担任爱情电影《天堂口》的编剧，该片由陈奕利执导。2010年，与夏永康联合执导爱情喜剧电影《全城热恋》，该片由六段爱情组成，用不同的主题来展现人们如何追寻爱的真谛。

2011年，与夏永康联合执导爱情喜剧电影《全球热恋》。2013年，由其执导的爱情电影《双城记》上映。2015年，执导由Angelababy、倪妮等联袂主演的爱情喜剧电影《新娘大作战》；同年，自编自导由杨幂、李易峰共同主演的爱情喜剧电影《怦然星动》。2019年，自编自导由黄晓明、杜江、谭卓等联合主演的灾难电影《烈火英雄》，该片根据鲍尔吉·原野的长篇报告文学作品《最深的水是泪水》改编。2021年9月15日，执导的电影《平凡英雄》在新疆举行开机发布会，该片将于2022年9月30日播出。