2001年，出演个人首部电影作品《蓝色大门》，从而进入演艺圈。2004年，主演青春片《五月之恋》，并凭该片提名第5届华语电影传媒大奖最佳男主角。2007年，出演日本爱情电影《在黑暗中等待相遇》；同年，担任第9届台北电影节大使。2010年，主演个人首部内地电视剧作品《摩登新人类》。2011年，凭借剧情片《观音山》中丁波一角入围第13届法国多维尔亚洲电影节最佳男主角奖；同年，凭借都市爱情剧《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。

2012年，凭借爱情片《台北飘雪》获得第13届华语电影传媒大奖观众票选最受瞩目男演员奖。2014年，在剧情片《后会无期》中饰演江河老师，该片票房达6.32亿。2015年，陈柏霖涉足韩国影坛，并出演了悬疑动作片《坏蛋必须死》和爱情片《致命恋爱》；同年，其投资并主演的奇幻喜剧片《重返20岁》以3.64亿刷新中韩合拍片票房纪录。2017年，凭借播出的真人秀节目《花儿与少年第三季》再次获得关注；同年，获得第14届年度先生盛典年度杰出港台艺人奖。