2015年陈柏霖主演的电影《重返20岁》于1月8日上映,陈柏霖除开出演该电影男一号之外,同时也是该电影的主要投资人之一,该电影中国内地最终收获3.5亿票房。6月4日,由冯小刚携手韩国著名导演姜帝圭联合监制、孙皓执导,陈柏霖和孙艺珍领衔主演的影片《坏蛋必须死》在韩国济州岛顺利杀青。6月21日,由陈柏霖主演并一人分饰三角的电影《再见,在也不见》亮相上海国际电影节,并举行了媒体发布会。6月26日,陈柏霖又和韩国BM+娱乐公司合作,该公司负责陈柏霖在韩国的演艺活动。7月1日,陈柏霖与林依晨合作主演的电影版《杜拉拉升职记2》正式杀青。9月10日,陈柏霖主演的电影《万万没想到:西游篇》定档12月18日全国公映,陈柏霖片中饰演“唐僧”。9月14日,陈柏霖领衔主演的悬疑喜剧电影《坏蛋必须死》发布海报,定档10月23日在中国上映,该片入围第20届釜山国际电影节。9月18日,陈柏霖领衔主演的《再见,在也不见》荣膺金马影展开幕影片.
2002年,参演电影处女作《蓝色大门》,该片在戛纳电影节“导演双周”单元展示。2011年,主演电影《观音山》入围第13届法国杜维尔亚洲电影节竞逐最佳影片金莲花奖,凭借丁波一角提名最佳男主角;同年,在偶像剧《我可能不会爱你》中饰演的“大仁哥”一角斩获金钟奖最佳男主角奖。