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,该片在戛纳电影节“导演双周”单元展示;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《203040》;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;之后出演了四部微电影,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》在中国内地上映。
2014年7月24日,陈柏霖领衔主演的电影《后会无期》在中国内地上映,陈柏霖饰演男主“江河”,表演张弛有度,“江河Style”深入人心,不少观众对他的转型充满了惊喜与赞许,该电影在8月12日票房已突破六亿,最终中国内地收获6.32亿票房。
2015年陈柏霖主演的电影《重返20岁》于1月8日上映,陈柏霖除开出演该电影男一号之外,同时也是该电影的主要投资人之一,该电影中国内地最终收获3.5亿票房。6月4日,由冯小刚携手韩国著名导演姜帝圭联合监制、孙皓执导,陈柏霖和孙艺珍领衔主演的影片《坏蛋必须死》在韩国济州岛顺利杀青。6月21日,由陈柏霖主演并一人分饰三角的电影《再见,在也不见》亮相上海国际电影节,并举行了媒体发布会。6月26日,陈柏霖又和韩国BM 娱乐公司合作,该公司负责陈柏霖在韩国的演艺活动。7月1日,陈柏霖与林依晨合作主演的电影版《杜拉拉升职记2》正式杀青。9月10日,陈柏霖主演的电影《万万没想到:西游篇》定档12月18日全国公映,陈柏霖片中饰演“唐僧”。9月14日,陈柏霖领衔主演的悬疑喜剧电影《坏蛋必须死》发布海报,定档10月23日在中国上映,该片入围第20届釜山国际电影节。9月18日,陈柏霖领衔主演的《再见,在也不见》荣膺金马影展开幕影片。