黄晓旭1984年毕业于重庆大学冶金及材料工程系。1990年开始在哈尔滨工业大学材料科学与工程系攻读博士学位，期间1992-1995年作为联合培养博士生留学日本京都大学，开始了他的海外学习研究生涯。1995年获得博士学位以后，加入丹麦Risø国家实验室，并于1998年被聘为终身高级研究员。

在旅居丹麦期间，黄晓旭始终心系祖国，密切关注国内科技与教育的发展，保持着与国内科研院所及高等学校广泛而紧密的合作，并利用各种学术交流的机会与国内同行分享国外的教育理念和经验。黄晓旭致力于纳米金属结构材料的基础理论与应用研究，并且在材料三维结构表征技术开发方面独树一帜，取得了令同行瞩目的研究成果，并引起了强烈的社会反响。2009年3月22日，丹麦最大的新闻媒体《丹麦政治报》（Politiken）对黄晓旭在纳米材料方面的研究成果及其与中国的成功合作以整个版面的内容进行了详细深度报道。2012年8月1日，在美国亚利桑那州召开的美国显微术与显微分析年会上，黄晓旭被美国显微镜学会（Microscopy Society of America）授予了“2012年度今日显微学创新奖（Microscopy Today 2012 Innovation Award）”。

在丹麦开展科研工作的同时，黄晓旭同志注重构建高效、稳固的中丹合作平台和交流机制，不断夯实中丹合作的基础。在他与国内同行的大力倡导下，自2002年以来，中丹之间关于纳米金属材料的研究共举办了6次“纳米金属暑期学校”活动，其中5次在中国召开。此外，在他与国内同行的积极推动下，由Risø国家实验室、中国科学院金属研究所、重庆大学和清华大学共同发起，于2009年成立了“中丹纳米金属研究中心”。该中心自成立以来，成绩斐然，短短数年时间就在国际顶级学术期刊《Science》上发表研究论文3篇。黄晓旭及其所在的Risø国家实验室和丹麦技术大学先后接待中国访问学者、学生和研究团体等200余人次，有力地促进了中丹双边学术交流与合作，为国内研究人员提供了学习与交流的新平台。

       2011年7月，黄晓旭正式以中组部国家特聘教授身份从丹麦回到重庆大学工作，并于2012年起担任材料科学与工程学院院长。在担任院长期间，重庆大学材料学科的ESI排名由1.47‰提升至0.748‰，全球排名由第253位提升至第79位。在关键技术的开发方面，针对国内高端电子显微镜“卡脖子”的现状，黄晓旭领导的先进表征技术团队与丹麦技术大学等海外单位合作，主持承担了国家重大科研仪器设备研制专项“三位透射电子显微镜”；与清华大学、中科院上海应用物理研究院等单位合作，主持承担了十三五国家重点研发计划项目“先进材料多维多尺度高通量表征技术”。团队自主研发了世界上首台具有三维晶体学分析功能和衍衬像三维重构功能的三维透射电子显微镜，在国际上首次实现了对纳米材料结构参数的三维定量分析和对材料内部位错组织三维形貌学和晶体学的集成表征，实现了基于透射电子显微镜三维表征新原理与新装备的重大突破。在基础研究方面，以黄晓旭为学术带头人的科研队伍首次将地球科学研究领域的高压实验方法引入到了纳米材料研究中，创造性地解决了纳米材料强度表征的技术难题，并首次报道了晶粒尺寸在10纳米以下的纳米纯金属的高压强化新现象。相关成果于2020年发表在国际顶级学术期刊《Nature》上。

黄晓旭在科研平台的建设与人才培养方面取得了丰硕成果，牵头建设了“先进材料基因组表征与调控”111引智基地（2015年）、材料基因组工程重庆市重点实验室（2016年）、教育部轻合金材料国际合作联合实验室（2017年）以及沈阳材料科学国家研究中心轻金属材料研究部（2019年），牵头在重庆大学建设并逐步完善了一个以三维、动态和原创技术为特色的世界一流电子显微镜中心。电镜中心的不断发展拓宽了原创性大型高端科研平台全球共研共建共享的新思路，也为重庆市首个大科学装置—“超瞬态实验装置”的建设提供了强有力的支撑。

作为优秀的教育科研工作者，黄晓旭同志先后担任国务院侨办“海外专家咨询委员会”委员、中国科学院学术委员会先进材料专门委员会委员、中国材料与实验团体标准委员会材料基因工程领域委员会委员、重庆侨联特聘专家、重庆金属学会副理事长等社会兼职，积极为我国的科技、教育改革和发展献计献策。作为海外杰出科学家的代表，黄晓旭同志于2012和2014年两次受邀参加在人民大会堂举行的国庆招待会， 2015年受邀参加抗战胜利70周年阅兵现场观礼，并于2014年荣获中华全国归国华侨联合会授予得中国侨界（创新人才）贡献奖。