2002년 드라마 야인시대에서 일본인 학생 역할로 처음 브라운관에 데뷔했습니다. 이후 학업을 병행하던 중 2004년 변영주 감독의 영화 발레교습소에서 창섭 역으로 출연하며 윤계상, 김민정 등 그 당시 핫 했던 스타들과는 물론 이준기, 김동욱 등 현재 톱스타가 된 배우들과 어깨를 나란히 하며 스크린에 데뷔했습니다.
이후 영화 태풍태양, 다섯 개의 시선 등에서 작은 역할로 출연하다가 2006년 영화 ‘피터팬의 공식’에서 성적, 정신적으로 성숙하지 못한 고등학생 '한수' 역으로 크게 주목받기 시작하면서 더반 국제영화제 남우주연상, 황금촬영상 시상식 신인상 등 굵직한 성과를 남겼습니다. 이후 해부학 교실, 돈의 맛, 더 파이브, 인간중독 등 여러 작품에 출연했습니다.
드라마는 2007년 출연했던 별순검 시즌1의 '강우' 역으로 얼굴을 많이 알렸고, 그 이후 주연과 조연을 넘나들며 작품에 출연하다가 2014년 잉여공주의 '현명' 역으로 여심 몰이를 하였습니다. 2015년 SBS 드라마 펀치에서 초반부 선한 역이었지만 그릇된 욕망과 권력욕으로 악인이 되어가는 이호성 역으로 강렬한 모습을 보여주었습니다.
이후 같은 해 같은 방송사의 작품인 마을 - 아치아라의 비밀에서 '기현' 역으로 열연하였고, 또 한 번 SBS에서 미녀 공심이에 출연하면서 4~50대 주부층에도 인지도를 높이게 되었습니다. 그 해 SBS 연기대상에서도 로맨틱코미디 부문 남자 특별연기상을 수상하였습니다. 2021년 SBS 드라마 펜트하우스 III에 백준기로 합류하면서 배우 인생의 터닝포인트를 찍게 되었습니다. 작품에서 백준기의 가짜 선의 뒤에 숨겨졌던 악한 면을 잘 부각시키며 좋은 평가를 받았습니다.
2017년 방송된 복면가왕에 ‘쓴 맛을 보여주마 한약도령’이라는 이름으로 출연해 1라운드 상대인 ‘완치요정 닥터피쉬’와 같이 김현식의 '비처럼 음악 처럼'을 불렀고, 2라운드에서 ‘2017 미스코리아 진~달래’와 겨룰 때 부른 곡은 버즈의 '남자를 몰라'를 불렀습니다. 연기와 노래를 같이 하면 부담이 덜 되는데 노래만 하는 것은 처음이라고 했으며 원래 꿈은 무용수였으나 춤도 추고 노래도 할 수 있고 연기도 할 수 있는 것을 생각하다 배우로 전향했다고 밝혔습니다.
2020년 MBC 예능 ‘라디오 스타’에 출연해 바람난 누나의 남자친구를 향한 복수담을 전했습니다. "친 누나가 아직도 모르는 비밀이 있다"라며 말문을 열었습니다. "누나가 정말 괜찮은 남자친구를 만났다. 누나를 위해 전공을 바꿔 대학까지 다시 갈 정도였다"라고 말했습니다. 자신 때문에 다시 대학생이 된 남자친구를 위해 누나는 TV, 전자 제품 등 필요한 자취물품들을 사주며 뒷바라지를 했습니다. 근데 남자친구가 바람이 났고, 누나는 오히려 담담했습니다. 화가 난 온주완은 차를 몰고 누나의 남자친구 집으로 찾아갔습니다.
이후 온주완은 누나 돈으로 구매한 모든 물건을 달라고 한 뒤 차에 넣고 집으로 돌아왔습니다. 그리고 그 물건들을 중고로 팔아버렸습니다. 또 돈은 누나에게 비밀로 해야 했고, “어차피 누나는 안 받으려고 했다”라며 현실 동생의 모습을 보였습니다. 이에 MC 들과 게스트들은 모두 입을 모아 미담인 줄 알았는데 막장이라며 한바탕 웃었습니다.
또, 2022년 방송된 SBS 파워 FM ‘박하선의 씨네 타운’의 ‘씨네 초대석’ 코너에 온주완이 출연했습니다. 온주완은 절친 이상엽에 대해 '씨네 "어젯밤에 문자를 했다. 이상엽이 타운'을 자주 듣는다더라. 오늘도 챙겨 듣는다고 했는데 일어났는지 모르겠다"고 웃으며 말했습니다. 온주완은 "저희끼리 장난으로 하는 이야기가 있다. 이상엽과 '우리 연예계 절친으로 유명한 제2의 정우성 이정재가 되자'고 한다. 우리 둘도 이렇게 시너지를 내는 친구가 되자는 이야기를 웃으면서 한다"고 밝혔습니다.
MBC 예능 ‘나혼자 산다’에 출연했을 때 절친 이상엽이 집에 방문했습니다. 배우 윤계상의 소개로 만나게 되었고, 15년 지기 절친이라고 소개했습니다. 최근 이상엽이 결혼 소식을 알리며 많은 사람들은 온주완의 걱정을 많이 해 웃게 했습니다. 온주완은 배우 이상엽, 김동욱, 최성준과 뮤지컬 배우 김호영, 방송인 장성규와 친하게 지내고 있습니다.
영화와 드라마 외에도 뮤지컬배우로도 활동하고 있습니다. ‘뉴시즈’, ‘윤동주, 달을쏘다’, ‘그날들‘, ‘여명의 눈동자‘, ‘모래시계‘의 태수 역으로 출연했습니다. 2020년 정직한 후보에 주상숙(라미란 분)의 비리를 고발한 기자로 특별출연 했습니다. 정직한 후보 2에서 앵커로 출연했습니다.
한편 2023년 11월 1일부터 〈유괴의 날〉 후속으로 방영 예정인 ENA 수목 드라마. 누적 7억뷰의 인기 시리즈였던 동명의 웹툰을 원작으로 각색한 드라마 ‘낮에 뜨는 달에 출연하여 방송을 앞두고 있습니다.
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