2015年2月4日,民国偶像剧《活色生香》开播全国网收视率达3.43,打破近十年电视剧开播的首播纪录,首日网络播放量10731万次,两集破亿,刷新内地电视剧网络播出首日的网络播放量记录,陈伟霆首次挑战反派角色,这是其首次出演民国戏 ;3月17日,古装武侠剧《少年四大名捕》登陆湖南卫视,陈伟霆饰演重情重义口花心不花的追命,这是其在内地拍摄的第一部古装打戏;5月,凭借《古剑奇谭》入围上海电视节白玉兰奖最佳男配角提名 ;5月11日,陈伟霆登上2015年福布斯中国名人榜,排名第70位 ;6月5日,主演的动作电影《搏击迷城》上映,其在影片中一人分饰三角,16日发行EP《等等》,共收录4首歌曲,其预购销量破白金数字;7月拍摄历史战争影片《大轰炸》,饰演空军飞行员程霆;9月22日,陈伟霆主演的古装仙侠剧《蜀山战纪》在爱奇艺首播,他在剧中饰演天赋异秉的丁隐/丁大力,该剧先网后台的播出方式打破了台网联动和视频网站的跟播模式,在爱奇艺全网的累计播放量突破20亿;10月26日,陈伟霆亲自参与曲展创作的歌曲《1121》全球首发 。
2016年1月16日,主演的仙侠剧《蜀山战纪之剑侠传奇》在安徽卫视播出 ,截至大结局,该剧CSM35城平均收视率达1.053,CSM52城平均收视率达到0.976 ;2月24日都市爱情剧《因为爱情有幸福》播出,陈伟霆饰演善良极富正义感、思想独立西化的大学讲师苏凯文,并为该剧配唱片尾曲《好想抱着你》;3月拍摄电影《铁木真传说》,饰演男一号铁木真 ;4月6日,都市爱情剧《缘来幸福》在腾讯VIP首播,陈伟霆饰演完美主义者何瀚,该剧于6月23日在深圳卫视上星播出 ;7月4日,其主演的民国悬疑剧《老九门》在东方卫视周播剧场播出,陈伟霆饰演有胆有识的张启山 ;8月5日,单曲《W企划》全网上线,该曲发布首日位居各大音乐排行榜榜单前列,上线仅12小时破千万次点击率 ;6日,陈伟霆主演的爱情喜剧电影《那件疯狂的小事叫爱情》于上海某影城点映,单场票房近31万,刷新全国单场最高票房纪录,其在剧中饰演剪辑师江洋,该影片于8月12日全国公映 ;8月27日,举行陈伟霆“Inside Me”巡回演唱会,这是其首次个人巡演 ;9月30日全真人CG魔幻题材电影《爵迹》上映,饰演残酷又冷血的幽冥;10月,与刘诗诗合作主演古装奇幻权谋剧《醉玲珑》,饰演素有战神之称的西魏皇子元凌则 。