1999年，陈柏霖被李方儒与吴翊凤发掘出道，参演台湾公视电视剧《强盗与天使》。

2001年，就读高三的陈柏霖获《蓝色大门》导演易智言赏识，在电影《蓝色大门》中饰演张士豪一角;2002年，电影处女作《蓝色大门》上映，该片在戛纳影展上被评为“最受年轻人欢迎影片”;同年，领衔主演台湾偶像剧《极速青春》。

2003年，与董洁、徐静蕾、渡部笃郎主演中日合作拍摄的电影《最后的爱，最初的爱》。

2004年2月，出演张艾嘉、李心洁、刘若英主演的电影《20 30 40》;主演电影《千机变2花都大战》;5月，与刘亦菲等主演电影《五月之恋》。

2007年，出演电影《大灌篮》，饰演“队长”一角。

2011年3月，主演电影《观音山》，并凭借《观音山》中丁波一角入围第13届法国多维尔亚洲电影节;同年，陈柏霖出演八大电视台自制的台湾偶像剧《我可能不会爱你》，饰演李大仁一角，自己创作并演唱该插曲《我不会喜欢你》，凭此剧获得2012年度第47届金钟奖戏剧节目最佳男主角奖、雅虎香港人气大奖“海外最受欢迎男演员”奖、2012安徽卫视国剧盛典“港台地区年度网络最受欢迎男演员”奖。

2012年，与林依晨合作电影《恋爱恐慌症》;《我可能不会爱你》登陆韩国，被韩国中华TV电视台引进，更名为《恋爱的条件》，受到了韩国粉丝的喜爱;出演四部微电影，其中微电影《这一刻，爱吧》讲述4种不同的爱情观，该片在“两岸原创微电影大赛”获选人气大奖。

2013年1月18日，在电影《变身超人》中陈柏霖颠覆”大仁哥“的形象，化身超人铁男;与柯震东联袂推出的微电影《这一刻爱吧2013》，三个月累计点击量突破4亿;4月，主演的爱情喜剧片《追爱大布局》中国内地上映。

2014年4月15日 ，与陈意涵合作主演的爱情喜剧片《追爱大布局》在中国内地上映，陈柏霖在片中饰演一个不修边幅、不善言辞的学霸理工科宅男吴全顺;7月24日，与韩寒导演合作的剧情片《后会无期》上映，他在片中以沧桑颓废的造型出现，塑造了一位性格封闭、看似沉默却有自己的原则、内心善良纯净的地理老师“江河”，该片在中国内地收获6.32亿元的票房成绩。

2015年1月8日，陈柏霖投资并主演的奇幻喜剧片《重返20岁》上映，他在片中饰演穿着考究、举止优雅的音乐总监谭子明 ，该片内地票房达3.5亿元;6月26日，正式签约韩国BM+娱乐公司，从而进军韩国;11月5日，在上映的文艺片《再见，在也不见》中分别饰演了静默的外派经理陈文祥、初为人父的青年陈德明和年轻帅气的教授陈志彬;11月27日，与孙艺珍合作主演的悬疑动作电影《坏蛋必须死》上映，他在片中饰演的强子是个富有正义感的老师;12月4日，主演的都市爱情片《杜拉拉升职记2》上映，片中饰演职场精英、霸道总裁陈丰;12月18日，由叫兽易小星执导的奇幻喜剧片《万万没想到》上映，陈柏霖在片中饰演了博学多识、深谋远虑的唐僧。

2016年3月20日，陈柏霖搭档宋智孝参加的明星恋爱真人秀节目《我们相爱吧第二季》首播;3月28日，其客串出演的爱情剧《怪物》在韩国MBC电视台播出，剧中饰演富豪Michael Zhang;12月15日，与河智苑合作主演的爱情喜剧片《致命恋爱》在韩国上映，片中饰演神秘暖男杰森。

2017年4月23日，陈柏霖作为固定成员参加的自助远行真人秀节目《花儿与少年第三季》播出;同年6月，陈柏霖开始搭档景甜主演电视剧《火王》系列，该系列分为古装和现代两部;12月8日，其主演的喜剧爱情片《假如王子睡着了》上映，陈柏霖在片中饰演的厨师郑天筹性格隐忍内敛，但对家庭和感情有着极强的责任感;11月22日，获得第14届年度先生盛典年度杰出港台艺人奖。2018年11月26日，其主演的古装剧《火王之破晓之战》首播，他在剧中饰演肩负重大使命，拥有绝密身份的火王仲天;12月18日，在播出的都市剧《火王之千里同风》中饰演了年轻有为、霸气外露的总裁兼科学家林烨。2019年11月18日，陈柏霖领衔主演的都市爱情剧《鳄鱼与牙签鸟》播出，他在剧中饰演高冷学霸周尔文。2021年3月12日，与郭采洁合作主演的爱情电影《北京爱情图鉴》上映，片中饰演营销经理阿伦。

主要成就

第47届台湾电视金钟奖最佳男主角奖

第13届华语电影传媒大奖最受瞩目表现奖

第15届华语电影传媒大奖最受瞩目男演员奖提名

第5届华语电影传媒大奖最佳男主角提名

第10届首尔国际电视节亚洲明星大奖

第20届釜山国际电影节亚洲之星奖