2011年2月，与千正明、韩智慧联袂主演历史剧《伙伴》；8月与韩高恩、吴世贞共同出演电视剧《Bilitis俱乐部的女儿们》；同年凭借《我的女儿是花儿》获得2011年SBS演技大赏女新人奖。
2012年，主演KBS电视台出品的水木剧《新娘面具》，凭借剧中饰演的变脸术士吴牡丹一角获得2012年KBS演技大赏女新人奖；同年主演SBS周末剧《五根手指》，饰演天才感性的钢琴演奏者洪多美。
2013年8月31日-2013年12月1日，陈世妍出演了话剧《Closer》，饰演爱丽丝一角。
2014年1月，主演KBS水木剧《感激时代》，饰演申正泰的恋人金玉莲；5月，与李钟硕、姜素拉、朴海镇共同主演SBS月火剧《Doctor异乡人》，剧中陈世妍首次尝试一人分饰二角，既要饰演主人公朴勋的初恋宋在熙，又要饰演韩国医麻醉领域专家韩胜熙；9月陈世妍参与拍摄浪漫喜剧电影《警察家族》，饰演可爱开朗的女主角朴英熙；11月15日凭借电视剧《doctor异乡人》获得第3届大田电视剧节女子人气赏。
