2010年3月,陈伟霆在爱情喜剧电影《美丽密令》中饰演影视明星秦朗 ;4月,发行个人第三张音乐专辑《Do You Wanna Dance》 ;6月,主演爱情电影《前度》;12月6日个人第四张音乐专辑《Heads or Tails》发行。
2011年3月,陈伟霆主演的电影《出轨的女人》作为第三十五届香港国际电影节参展作品 ;8月25日推出个人第五张音乐专辑《WOW》;9月陈伟霆在香港新都城中心出席颁奖礼,并获2011年“十大健康之星” 。2012年,7月10日陈伟霆个人第六张音乐专辑《Pop It Up》发行;11月主演的黑帮动作电影《扎职》上映,其在剧中饰演大学高材生阿霆 。
2013年,陈伟霆将工作重心转移至中国内地,2月底接拍古装武侠剧《少年四大名捕》 ;7月,正式将内地电视剧约签入阿诺工作室旗下,同时接拍《古剑奇谭》 。
2014年1月,灾难电影《救火英雄》上映,陈伟霆凭借饰演张文健一角获澳门国际电影节最佳男配角奖项;7月,其出演的古装仙侠偶像剧《古剑奇谭》在播放期间获得了全国同时段电视剧收视率第一,网络播放量突破50亿,单集平均点击量则突破1.5亿的成绩 ,而陈伟霆也因大师兄陵越一角被内地观众所熟知 ,并获得国剧盛典年度最受欢迎全能艺人及年度电视剧媒体最期待演员 ;11月25日,因主演励志喜剧电影《男人不可以穷》中性格叛逆、执拗的迷途青年薛可勇一角斩获欧洲万像国际华语电影节最佳青年男演员奖 ,同时入围澳门国际电影节最佳男配角奖项,该电影随后于12月24日在内地上映。