2002年凭借其电影处女作《蓝色大门》当仁不让成为台湾地区最酷新人王,该片在戛纳影展上被评为“最受年轻人欢迎影片”,陈柏霖更在东京影展上被日本影评人誉为“亚洲最有潜质男优”。电影方面,陈柏霖在《五月之恋》《千机变2》《观音山》《十二生肖》《BBS乡民的正义》(内地名:《骇战》)《变身》等影片中均有上佳表现,并凭借《观音山》中丁波一角入围第13届法国杜维尔亚洲电影节。2011年在偶像剧《我可能不会爱你》中饰演的“大仁哥”一角为广大观众所喜爱,于次年斩获“金钟奖”最佳男主角奖。2014年4月,主演的爱情喜剧片
2015 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。
2014 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。
2013 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。
2012 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。
2011 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。
2007 出演电影《大灌篮》,饰演“队长”一角。
2004 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》。
2003 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》。
2002 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》。
2001 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。
1999 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》。