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。
导演陈国辉并不多产，但执导的每一部作品都颇具影响力。而且，他的每部电影都坚持亲自撰写剧本。作为一个科班出身的导演，陈国辉对电影有着与浮躁的电影市场不和谐的认真态度，对电影保持了最初的心态（《中国日报》评）。
陈国辉是一个特别让人安心的导演，在片场雷厉风行的样子就像一个将军，一声令下所有部门就在他的领导下快速有效地工作。在电影《拼盘》中，展现出陈国辉在挖掘人物情感世界方面不同寻常的天赋。在执导电影《烈火英雄》之前，导演陈国辉一直专注创作爱情类型的影片，擅长执导细腻情感的电影（杜江、网易娱乐、1905电影网综合评）。