تحصیلات دانشگاهی او دررشته روانشناسی دانشگاه تهران بود که آن را به قصد مهاجرت به کانادا ناتمام گذاشت.
او کار خود را با تئاتر دانشجویی و سپس گویندگی در رادیو آغاز کرد و سپس در برنامه‌ای به نام اکسیژن در تلویزیون ظاهر شد. حسینی در چند برنامه دیگر هم مانند برپا برپا، به رنگ صبح، و سایه روشن به عنوان مجری حضور داشت و با سریال پس از باران پا به عرصه بازیگری گذاشت. مدتي بعد وی بخاطر بازی در فیلمهای سینمایی واکنش پنجم، شمعی در باد و محیا مورد توجه قرار گرفت.
حسینی درسال ۱۳۸۶ برای فیلم محیا از جشنواره بین‌المللی فیلم فجر، موفق به کسب دیپلم افتخار بهترین بازیگر نقش اول مرد شد، و در سال ۱۳۸۷ در جشنواره بین‌المللی فیلم فجر برای فیلم سوپر استار سیمرغ بلورین بهترین بازیگر نقش اول مرد را دریافت کرد.
همچنین وی به خاطر فیلمهای پرسه در مه به کارگردانی بهرام توکلی و درباره الی به کارگردانی اصغر فرهادی بازیگر مرد برگزیده چهاردهمین جشن بزرگ سینمای ایران نیز بود.
جدایی نادر از سیمین از دیگر آثار مورد توجه اخیر او در عرصه بازیگری است که مورد توجه منتقدین و مردم قرار گرفت.وی در نظرسنجی برنامه‌ی هفت در بهمن ماه سال ۹۲ به عنوان بهترین بازیگر دهه‌ی هشتاد ایران انتخاب شد.
شهاب حسینی در سال ۱۳۹۲ کارگردانی را با فیلم ساکن طبقه وسط آغاز کرد. و در سال ۱۳۹۴ فیلم بیا با من را کارگردانی نمود.فیلم بیا با من مجموعه‌ای از سه داستان متفاوت است.