2002年，剛滿16歲的趙旭日代表實德系大連賽德隆隊參加甲B聯賽，開始了職業足球生涯。
2003年，趙旭日跟徐弘指導從大連賽德隆來到實德系四川冠城隊。 趙旭日在這壹年的甲A聯賽中，壹直出任四川冠城隊的主力中前衛。
2004年，趙旭日經歷了壹場重傷，他失去了進入國家隊的機會，不過在四川隊他依然是絕對主力。
2005年，趙旭日返回大連實德隊。 並跟隨大連實德隊拿到中超聯賽冠軍與中國足協杯冠軍。
2006年，在中國足協杯第三輪八進四的比賽中，大連實德隊主場以1-0戰勝天津康師傅隊，趙旭日在比賽中打入致勝壹球。
2007年5月27日，趙旭日在國家德比中打入兩球，幫助大連實德3-2戰勝山東魯能。
2008年5月17日，中超聯賽第8輪，趙旭日在大連隊與陜西中新隊的比賽中獲得壹個進球，幫助大連隊主場以1比1戰平對手。
2010年，趙旭日離開大連實德，以轉會形式加盟陜西中信浐灞足球俱樂部。
2011年12月26日，廣州恒大舉行了新援見面會，趙旭日正式加盟廣州恒大。
2012賽季，是趙旭日加盟恒大的第壹個賽季，他在聯賽中代表廣州恒大出場20次，打入了1粒進球。
2012年7月21日，廣州恒大客場挑戰河南建業，在上半時第8分鐘，趙旭日接孔卡的前場右側任意球助攻，頭球得分幫助恒大取得領先。這粒進球不僅是趙旭日加盟廣州恒大後貢獻的賽季首球，更是時隔三年時間，在1086天之後再次在中超聯賽中取得進球。 同年8月22日，中國足協杯半決賽首輪，廣州恒大主場迎戰遼寧宏運。上半場比賽，恒大的李帥和巴裏奧斯先後受傷離場。第68分鐘，趙旭日依靠任意球的遠射破門，最終恒大1-0擊敗對手。
2013賽季，趙旭日聯賽出場22次，貢獻了2粒進球外加壹次助攻。
2013年8月3日，中超聯賽第19輪，廣州恒大對陣貴州人和，趙旭日在下半場接孔卡助攻打入壹球，幫助廣州恒大成2-2戰平對手。 同年10月6日，中超聯賽第27輪，山東魯能主場對陣廣州恒大。比賽第6分鐘，趙旭日接到埃爾克森傳球，面對楊程輕松破門，最終幫助廣州恒大4-2戰勝山東魯能，成功加冕2013賽季中超冠軍。 11月9日，趙旭日跟隨廣州恒大奪得亞冠聯賽冠軍。
2014年4月30日，廣州恒大主場對陣上海上港，比賽第67分鐘，趙旭日在對方大禁區頂打進鎖定勝局的壹球，最終幫助廣州恒大5-0戰勝上港隊。 8月9日，在廣州恒大對陣江蘇舜天的中超比賽中，趙旭日在比賽第88分鐘打入壹球，幫助廣州恒大3-0戰勝對手。
2016年1月21日，廣州恒大淘寶足球俱樂部在官網宣布趙旭日正式轉會中甲天津權健足球俱樂部。隨後權健俱樂部也官宣了這筆交易。這位隨隊獲得眾多榮譽的前國腳新賽季將征戰中甲聯賽。 2000年，趙旭日入選中國國少隊。
2003年，趙旭日入選中國國家隊。12月7日，趙旭日代表中國隊在與韓國隊的比賽中登場，這壹天他18歲零4天，刷新了由周海濱在2003年8月20日中國對智利的比賽中保持的18歲零32天的國家隊出場最年輕球員紀錄。 12月10日，東亞四強賽上，趙旭日在中國隊與香港隊的比賽中首發出場，當比賽進行到第20分鐘時，趙旭日在後點包抄墊射攻入打破僵局的壹球。當時的趙旭日年僅18歲零7天，這個進球刷新了中國男足國際A級比賽最年輕入球的歷史紀錄。
2005年，趙旭日跟隨中國國青隊出戰了世青賽。6月12日，世青賽B組首輪，中國青年隊與土耳其青年隊的比賽在加爾蓋瓦爾德球場展開，趙旭日在補時最後壹分鐘時踢出壹腳世界波，幫助中青隊2-1戰勝土耳其青年隊。最終中國青年隊小組賽3戰全勝，在淘汰賽兩度領先的情況下2-3惜敗德國。
2006年8月，趙旭日代表中國國家隊參加亞洲杯預選賽，在中國隊與新加坡隊的比賽中，趙旭日因為對新加坡隊員采取報復性犯規，被亞足聯停賽兩場，並處以3000美元的。
2007年，趙旭日再次入選中國國家隊，他已經是朱廣滬的重點培養對象。在肇俊哲淡出國家隊，李鐵已經廉頗老矣的情況下，趙旭日成為了國家隊後腰的主要培養對象。
2007年7月1日，為了慶祝香港回歸10周年，中國聯隊在香港與世界明星隊進行了壹場友誼賽。第 41分鐘，王棟左路底線前策動攻勢，趙旭日禁區前偏左位置得球後稍作調整，壹腳淩空抽射送出世界波，皮球直掛球門後角，中國聯隊就此1比0領先上半場，最終中國隊2-0獲勝。
2008年4月，趙旭日跟隨中國國奧隊赴塞爾維亞參加奧運前的集訓。
2008年7月20日，中國國奧隊坐鎮長春迎戰熱身賽對手澳大利亞國奧隊，憑借趙旭日在下半場第35分鐘的進球，中國國奧隊1-0擊敗澳大利亞國奧隊。
2008年8月，趙旭日代表中國國奧隊參加了北京奧運會。
2012年2月22日，中國國家隊在長沙賀龍體育場與科威特隊進行了壹場熱身賽，國足憑借著郜林和於大寶的進球，在熱身賽中2-0戰勝對手。與此同時 ，趙旭日步黃博文的後塵，因報復對手吃到紅牌，這已是國腳們連續兩場在國家隊比賽中被罰下場。
2013年1月18日，中國男足進行了在西班牙拉練的第二場熱身賽，對手是西乙B組球隊聖費爾南多隊。上半場第10分鐘，中國隊先丟壹球，在比賽的第35分鐘，趙旭日打進壹球，幫助中國隊追平了場上的比分，最終中國隊2-1逆轉對手。
2013年2月7日，2015亞洲杯預選賽C組的首輪在沙特城市達曼的莫罕默德-本-法赫德王子體育場進行，中國隊遭遇沙特阿拉伯隊，在比賽第23分鐘，沙特隊就取得進球，6分鐘後，趙旭日接於漢超助攻將比分扳平，不過由於替補上場的哈紮茲在78分鐘攻入絕殺球，中國隊最終以1-2負於對手。
2013年6月15日，中國國家隊在安徽合肥奧體中心與泰國進行了壹場熱身賽，第61分鐘，趙旭日傳球失誤，泰國隊前場攔截成功，松客拉辛禁區前沿接隊友傳球後稍作調整，壹腳遠射再次洞開國足大門，比分變為4-1。最終國足以1-5的比分慘敗給泰國。
2013年8月28日上午，中國足協公布了中國國家隊新壹期集訓名單，趙旭日攜手馮瀟霆重新回到中國國家隊。
2014年11月26日，中國足協公布了備戰2015年亞洲杯的31人大名單，趙旭日落選集訓大名單，無緣亞洲杯。