중학교 시절까지 농구선수의 꿈을 키웠지만 정강이 부상으로 운동을 그만두게 되었고, 이후 모델의 길로 진로를 바꿨다. 서울호서예술실용전문학교 모델연기예술과를 졸업했으며, 2013년 송지오 2014 S/S 컬렉션으로 모델 데뷔한 뒤 2014년 tvN 드라마 잉여공주를 통해 배우 활동을 시작했다. 남주혁은 모델 출신다운 뛰어난 비주얼과 187cm의 큰 키를 바탕으로 빠르게 주목받았으며, 후아유-학교 2015를 통해 청춘스타로 떠올랐다. 이후 치즈인더트랩, 달의 연인-보보경심 려, 역도요정 김복주, 눈이 부시게, 스타트업, 스물다섯 스물하나, 비질란테 등 다양한 작품에서 주연을 맡으며 입지를 굳혔다. 특히 자연스러운 감정 연기와 섬세한 눈빛 표현, 청춘의 성장과 아픔을 설득력 있게 그려내는 연기력으로 호평을 받았으며, 로맨스와 액션, 휴먼 드라마를 넘나드는 폭넓은 연기 스펙트럼을 보여주고 있다. 영화 안시성에서는 강인한 무사 '사물' 역을 맡아 제39회 청룡영화상 신인남우상을 수상하며 스크린에서도 연기력을 인정받았다. 이후 조제, 리멤버 등으로 활동 영역을 넓혔으며, 꾸준한 작품 선택과 안정적인 연기력으로 대한민국을 대표하는 젊은 배우 가운데 한 명으로 평가받고 있다. 또한 군 복무를 마친 뒤에도 활발한 활동을 이어가며 국내외 팬들의 꾸준한 사랑을 받고 있다. 2026년 동궁에서 구천 역을 맡았다. 2024년 홍.건.데에 출연했다. 2023년 비질란테에서 김지용 역을 맡았다.