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,凭借文艺片《观音山》 中丁波一角提名第13届法国多维尔亚洲电影节最佳男主角奖;同年,因出演偶像剧《我可能不会爱你》中李大仁一角获得第47届台湾电视金钟奖最佳男主角奖。2014年4月,主演爱情喜剧片《追爱大布局》;同年,凭借爱情片《后会无期》获得第15届华语电影传媒大奖“最受瞩目男演员奖”,该片收获内地票房6.32亿。2015年,陈柏霖出演男一号并投资的电影《重返20岁》中国内地收获3.5亿票房;同年,他相继主演了悬疑片《坏蛋必须死》、爱情片《杜拉拉追婚记》、奇幻喜剧片《万万没想到:西游篇》。2016年3月,参加江苏卫视真人秀节目《我们相爱吧第二季》。