1999年，陳柏霖被李方儒與吳翊鳳發掘出道，參演臺灣公視電視劇《強盜與天使》。

　　2001年，就讀高三的陳柏霖獲《藍色大門》導演易智言賞識，在電影《藍色大門》中飾演張士豪一角。

　　2002年9月27日，陳柏霖主演的愛情片《藍色大門》上映 ?，該片在戛納電影節“導演雙周”單元展示 ?；同年，領銜主演臺灣偶像劇《極速青春》 ?。

　　2003年，與董潔、徐靜蕾、渡部篤郎主演中日合作拍攝的電影《最后的愛，最初的愛》 ?。

　　2004年2月，出演張艾嘉、李心潔、劉若英主演的電影《20 30 40》 ?；主演電影《千機變2花都大戰》 ?；5月，與劉亦菲等主演電影《五月之戀》 ?。

　　2007年，出演電影《大灌籃》，飾演“隊長”一角 ?

　　。2010年，主演青春勵志劇《摩登新人類》，并在劇中飾演了玩世不恭的情場浪子凌桀，這是陳柏霖進軍內地熒屏的首部電視劇 ?。

　　2011年3月，陳柏霖主演了由李玉執導的文藝片《觀音山》，并憑借《觀音山》中丁波一角入圍第13屆法國多維爾亞洲電影節 ?；同年，陳柏霖出演八大電視臺自制的臺灣偶像劇《我可能不會愛你》，飾演李大仁一角，自己創作并演唱該插曲《我不會喜歡你》，憑此劇獲得2012年度第47屆金鐘獎戲劇節目最佳男主角獎、雅虎香港人氣大獎“海外最受歡迎男演員”獎、2012安徽衛視國劇盛典“港臺地區年度網絡最受歡迎男演員”獎 ?。

　　2012年，與林依晨合作電影《戀愛恐慌癥》；《我可能不會愛你》登陸韓國，被韓國中華TV電視臺引進，更名為《戀愛的條件》，受到了韓國粉絲的喜愛 ?；之后出演了四部微電影，其中微電影《這一刻，愛吧》講述4種不同的愛情觀，該片在“兩岸原創微電影大賽”獲選人氣大獎 ?。

　　2013年1月18日，陳柏霖主演的劇情片《變身超人》上映，飾演正義感十足的超人鐵男；同年，主演青春微電影《這一刻，愛吧》系列 ?；4月，主演的愛情喜劇片《追愛大布局》在中國內地上映 ?。

　　2014年7月24日，陳柏霖領銜主演的喜劇愛情片《后會無期》上映，并在片中飾演善良純凈的江河老師。該片首日排片36.86%，居第一，并收獲票房7460萬元（其中，零點場410萬票房排名華語片第四），最終在中國內地收獲6.32億的票房成績 ? ?。

　　2015年1月8日，陳柏霖主演的奇幻喜劇片《重返20歲》上映，飾演“高冷范兒”的音樂總監譚子明。而陳柏霖除了擔任電影男一號之外，同時也是該電影的主要投資人之一，該片內地票房收獲3.5億 ?；6月4日，陳柏霖和孫藝珍領銜主演的懸疑片《壞蛋必須死》在韓國濟州島殺青 ?；6月21日，由陳柏霖主演并一人分飾三角的電影《再見，在也不見》亮相上海國際電影節，并舉行了媒體發布會 ?；6月26日，陳柏霖又和韓國BM+娛樂公司合作，該公司負責陳柏霖在韓國的演藝活動；7月1日，陳柏霖與林依晨合作主演的電影版《杜拉拉升職記2》正式殺青 ?；9月18日，陳柏霖領銜主演的《再見，在也不見》榮膺金馬影展開幕影片 ?；11月27日，其主演的懸疑電影《壞蛋必須死》上映，影片還入圍了第20屆釜山國際電影節 ? ?；12月18日，陳柏霖主演的奇幻喜劇電影《萬萬沒想到：西游篇》上映，并在片中飾演了博學多識、深謀遠慮的唐僧一角 ?。

　　2016年3月，陳柏霖搭檔宋智孝參加江蘇衛視真人秀節目《我們相愛吧第二季》；3月28日，其出演的韓國MBC電視臺愛情劇《怪物》播出 ?。