1999年,陈柏霖被星探发掘出道,参演了电视剧处女作《强盗与天使》。
2001年,还在上高中的陈柏霖被导演易智言赏识出演了电影《蓝色大门》,该片一播出在戛纳影展上被评为“最受年轻人欢迎影片”,陈柏霖开始名气大噪!同年,陈柏霖主演台湾偶像剧《极速青春》。
2003年,参演了电影《最后的爱,最初的爱》。
2004年,陈柏霖和张艾嘉、李心洁、刘若英合作,参演了电影《20 30 40》;同年,参演电影《千机变2花都大战》、《五月之恋》。
2007年,出演周杰伦执导了电影《大灌篮》、《爱得起》、《恋爱前规则》等多部作品。
2010年,陈柏霖在拍戏的同时也开始投资电影。
2011年,陈柏霖和范冰冰合作主演了电影《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,出演台湾偶像剧《我可能不会爱你》,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,主演电影《恋爱恐慌症》;同年,出演了四部微电影,其中微电影《这一刻,爱吧》,在“两岸原创微电影大赛”获选人气大奖。
2013年,参演电影《变身超人》、《爱情无全顺》、微电影《这一刻爱吧2013》、主演的爱情喜剧片《追爱大布局》。
2014年,陈柏霖和钟汉良、冯绍峰、袁泉、王珞丹一起出演电影《后会无期》。