유연석은 2003년, 박찬욱감독의 올드보이로 영화계에 데뷔했다. 유지태가 맡은 이우진의 아역으로 출연했다.
군 제대 후 연극, 영화, 드라마 등에 출연했다. 특히 독립영화 "혜화,동"과 "열여덟, 열아홉", 그리고 "무서운 이야기"에서의 호연으로 주목받는 신인배우가 되었다. 이후 "전국 노래자랑"의 주연을 맡았으며 "건축학개론"과 "늑대소년"이 크게 흥행하여 주목받게 된다.
건축학 개론에서 국민 여동생, 국민 첫사랑 수지의 동경을 받는 강남선배로 출연하였다. 영화 "늑대소년"에서는 또다른 국민 여동생 박보영을 괴롭히는 지태 역으로 출연하여 빛나는 연가를 보여줬다.
"심야병원", "런닝,구", "엄마가 뭐길래", "맛있는 인생", "열여덟, 열아홉" 등의 작품에서 착하고 순수한 역할을 맡았음에도 불구하고 흥행한 작품들에서 주로 악역이었던 탓에 한동안은 악역 전문 배우라는 인식을 얻기도. 비록 악역으로 나왔지만 연기로 화제가 되었다.
다행히도 2013년부터는 구가의 서의 박태서와 응답하라 1994의 훈남 야구 선수 칠봉이 역할로 기존의 차가운 악역 이미지와 상반되는 풋풋하고 다정한 모습을 선보이며 그에게 호감을 갖게 된 사람들이 늘어나고 있다. 특히 인생작이라고 할 수 있는 "응답하라 1994"로 신드롬을 일으키며 단번에 주연급으로 올라섰다. 이후 손호준, 바로와 함께 출연한 꽃보다 청춘 라오스편까지 흥행하며 전성기를 맞았다.
홍자매의 로맨틱 코미디 드라마 "맨도롱 또똣"과
강은경 작가의 의학 드라마 "낭만닥터 김사부"에서 주연을 맡았으며 뮤지컬 "벽을 뚫는 남자", "헤드윅" 영화 "제보자", "상의원", "은밀한 유혹", "그날의 분위기", "뷰티인사이드", "해어화" 등 다양한 작품에 출연하면서 꾸준한 작품활동을 이어가고 있다.
