1991년 SBS 서울방송 1기 공채 탤런트에 합격한 뒤 정식 데뷔하면서 배우 활동을 시작하였다. 데뷔초에는 그다지 두각을 나타내지 못하다가 1998년 30%이상의 높은 시청률을 기록했던 SBS 드라마 《은실이》에서 코믹하고 질펀한 전라도 사투리를 구사하는 빨간 양말 양정팔 역으로 큰 인기를 끌면서 8년간의 무명의 설움을 씻었다.그후 이미지 변신을 목적으로 1999년 KBS 주말연속극 《유정》에서는 전혀 다른 진지한 이미지의 대기업 회장의 아들인 재벌 2세 역할과 2000년 SBS 청춘 시트콤 《행진》에서는 대학 교수 역할을 맡아 출연하였으나, 이전의 《은실이》의 빨간 양말 이미지가 너무 강렬한 탓에 극중 역할의 이미지가 맞지 않다는 부적격 판정을 받고 드라마에서 중도하차했다. 그가 하차한 자리에는 이영범이 들어갔다.
이후 성동일은 한동안 음식점 사업 등의 노역을 전전하다가, 여러 드라마나 영화에도 출연해봤지만 크게 주목을 받지 못했다.
2009년 영화 《국가대표》 방 코치 역과 2010년 드라마 《추노》에서 천지호 역을 맡아 강렬한 존재감을 드러내며 명품 조연으로 등극하였다.
2013년초부터 MBC 《일밤 - 아빠 어디가 시즌 1》에서 아들 성준과 고정 출연하며 많은 사랑을 받았고, 시즌 2에는 딸 성빈과 함께 출연하였다.