天不饮食，直到母亲病好才饮食，当时被称为「孝童」。长大之后，个性沉厚而有判断力，想要对这个世界有所贡献。唐玄宗时被推举为明经，但段秀实说：「搜章擿句，不足以立功。」于是放弃了功名。
从军与怛罗斯战役.天宝四年（745年），安西节度使马灵察将段秀实登录为别将，并跟随征伐护蜜国有所战功，被封为安西府别将。天宝七年（748年），高仙芝取代马灵察成为安西节度使，段秀实则转跟随高仙芝。天宝十年（751年），高仙芝举兵包围怛逻斯，后来黑衣大食（即阿拔斯王朝）的援军前来救援，高仙芝的军队