陈柏霖的演艺生涯始于1999年，当时他被资深经纪人李方儒与吴翊凤所发掘，并由此获得了参演台湾公视电视剧《强盗与天使》的机会，正式踏入演艺圈。2001年，在台北西门町街头闲逛时，陈柏霖幸运地被一位星探看中，随后被选中出演电影《蓝色大门》，这成为他大银幕生涯的起点。2002年9月27日，他与桂纶镁合作主演的爱情电影《蓝色大门》正式上映，陈柏霖在片中成功塑造了阳光开朗且略带小自恋的男主角张士豪，其清新自然的表演赢得了观众的好评，该片还入选了戛纳电影节“导演双周”单元进行展映；同年，他还领衔主演了台湾偶像剧《极速青春》，进一步积累了人气。2003年4月，陈柏霖与渡部笃郎、徐静蕾合作，出演了中日合拍的爱情电影《最后的爱，最初的爱》，在片中他饰演了一位真诚且充满青春朝气的大男孩阿德，展现了其角色塑造的多样性。2004年2月，他客串出演了由张艾嘉自编自导自演的爱情喜剧片《20 30 40》；7月16日，与刘亦菲搭档主演的青春爱情片《五月之恋》上映，陈柏霖在片中饰演了家政系大学生阿磊，演绎了一段纯真恋情；8月12日，在上映的动作魔幻电影《千机变Ⅱ花都大战》中，他饰演了四处游荡、既爱钱也爱权的小流氓柴头，展现了角色的市井气息。2005年，陈柏霖搭档梁洛施主演的奇幻喜剧片《虫不知》上映，他在片中挑战饰演了一位性格极为内向却拥有特异功能的男孩高原；3月24日，由彭顺、彭发联合执导的惊悚片《见鬼10》上映，陈柏霖在片中饰演了胆大乐观的男孩得仔；12月22日，其主演的奇幻爱情片《情癫大圣》上映，他诠释的孙悟空性格性急冲动，但外表却表现得冷冰冰，呈现了与传统不同的悟空形象。2006年1月26日，他与谢霆锋合作主演的喜剧片《春田花花同学会》上映，片中他饰演了一个形象邋遢的懵懂少年；4月7日，与伊东美咲合作主演的爱情片《恋爱地图》上映，在“东京篇”中他饰演了一位梦想成为漫画家的台北少年姚；同年，他还与田中丽奈合作出演了奇幻爱情片《幻游传》；9月16日，他主演的爱情片《蜜糖与调味：风味绝佳》在日本上映，片中他饰演了十分绅士又神秘的迈克；9月29日，在上映的科幻惊悚片《诡丝》中，他饰演了反重力小组成员胡守仁。2007年1月8日，其主演的电视剧《东京塔》在日本富士电视台首播，陈柏霖在剧中饰演一个来到日本留学并在夜店工作的青年Leo，这也是他首次出演日剧；此后他正式涉足日本影坛，并首次以全日语对白出演爱情电影《在黑暗中等待相遇》，在片中他饰演了性格孤僻的中日混血儿大石；6月22日，他荣幸地担任了第9届台北电影节的大使。2008年2月8日，由朱延平执导的喜剧片《大灌篮》上映，陈柏霖在片中饰演了颓废消沉、脾气暴躁的队长丁伟；3月14日，其主演的青春励志电影《pk.com.cn》上映，该片根据小说《谁说青春不能错》改编，陈柏霖在片中饰演了热情奔放的季银川。2009年2月14日，陈柏霖主演的爱情喜剧片《爱得起》上映，他在片中饰演个性拘谨、很重礼貌的航空公司职员于日东；3月9日，其出演的爱情电影《爱到底》在中国台湾上映；8月28日，在上映的喜剧片《气喘吁吁》中，他出演了有自闭症却又反叛不羁的海归青年李心红；11月3日，与王珞丹合作主演的爱情片《恋爱前规则》上映，片中他饰演了想象力丰富但外表木讷的宅男陆飞。2010年6月10日，其领衔主演的街舞题材电影《精舞门2》上映，陈柏霖在片中饰演的舞团队长乐天热爱跳舞、性格阳光开朗，充满了青春活力。2011年3月3日，陈柏霖与李玉导演合作的剧情片《观音山》上映，他在片中深刻塑造了内心迷茫、漂泊都市的叛逆青年丁波，并凭借该角色入围第13届法国多维尔亚洲电影节最佳男主角奖；7月5日，主演的励志剧《摩登新人类》首播，陈柏霖在剧中饰演了个性浪荡不羁却又魅力十足的情场浪子凌桀，这是他进军内地荧屏的首部电视剧作品；9月18日，与林依晨领衔主演的都市爱情剧《我可能不会爱你》首播，陈柏霖在剧中饰演的李大仁是个绅士谦逊、深情款款的暖男，这个角色深入人心，他也凭借该角色获得了第47届台湾电视金钟奖最佳男主角奖，之后该剧登陆内地播出，创下了收视第一的佳绩；10月14日，在上映的爱情片《恋爱恐慌症》中，他饰演了专注于学术研究的医生陆哲瀚。2012年4月1日，由霍建起执导的爱情片《台北飘雪》上映，陈柏霖在片中饰演了阳光又乐于助人的小镇青年小莫，并凭此角色获得第13届华语电影传媒大奖观众票选最受瞩目男演员奖；8月17日，科幻爱情片《骇战》在中国台湾上映，陈柏霖在片中饰演了亦正亦邪的骇客高手King。2013年1月18日，陈柏霖与郭雪芙、邱彦翔合作主演的动作喜剧电影《变身超人》在中国台湾上映，他在片中饰演正义感十足的超人铁男；同年，他还主演了青春微电影《这一刻，爱吧》系列。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了6.32亿元的优异票房成绩。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，他正式签约韩国BM+娱乐公司，从而进军韩国市场；11月5日，在上映的文艺片《再见，在也不见》中，他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，一人分饰三角展现了其表演功力；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，片中他饰演职场精英、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。同年12月，他主演的电视剧《不如海边吹吹风》上映。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，剧中他饰演富豪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，片中他饰演神秘暖男杰森。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；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，他获得了第14届年度先生盛典年度杰出港台艺人奖。2018年11月26日，与景甜领衔主演的古装剧《火王之破晓之战》首播，该系列分为古装和现代两部，陈柏霖在剧中饰演了肩负重大使命、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，他饰演了年轻有为、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11月12日，其主演的惊悚喜剧电影《诡扯》在中国台湾上映。12月10日，与郭采洁合作主演的爱情电影《曾经相爱的我们》上映，片中他饰演营销经理Alan。2022年6月15日，与郭雪芙合作主演的律政轻喜剧《正义的算法》在B站上线，剧中他饰演明星律师刘浪。2024年2月8日，主演的贺岁档电影《还钱》上映，饰演张博骏；8月7日，主演的恐怖喜剧片《鬼才之道》上映，在剧中饰演鬼经纪人Makoto。
演员陈柏霖长期患有哮喘疾病，这一健康问题对他的生活与工作产生了持续的影响。在完成其代表作《蓝色大门》的拍摄工作之后，大约有三年时间，他都需要每日服用特定的药物以控制病情。然而，该药物中含有一定剂量的激素成分，这类激素的常见副作用之一便是容易导致体重增加与身形浮肿。这正是他在那几年间公开露面时，被观众和媒体注意到身材略显发福的主要原因。尽管身体状况带来了挑战，陈柏霖依然积极投入演艺事业，同时也在个人生活中保持着平和的状态。
二零一零年六月，他正式创立了个人公司，即柏霖时创，并以此为基础，同步推出了全新的服装品牌BrainChild。这一系列举措标志着他个人事业版图的进一步拓展，也为其在时尚与商业领域的深入探索奠定了重要的基石。
2022年4月18日，演员陈柏霖在一次公开活动中正式承认了自己的恋情，女友是比他年轻7岁的女子团体Popu Lady成员陈庭萱。两人的感情一直稳定发展，直至2025年7月9日，多家媒体相继爆料称陈柏霖可能即将与爱情长跑多年的女友陈庭萱步入婚姻殿堂。据相关消息透露，陈柏霖近期曾多次向身边友人咨询适合举办婚礼的餐厅场地，初步计划将婚礼时间安排在当年10月底至年末之间，并预计邀请约30位至亲好友参加，举办一场规模虽小却温馨亲密的婚礼仪式。同日，另有报道进一步指出，陈柏霖与女友陈庭萱已相恋长达13年，关系早已十分稳固，甚至已进入同居生活阶段；台湾媒体也报导称，陈柏霖近来确实产生了结婚的念头，希望将比自己小6岁的陈庭萱迎娶回家，因此才开始向周围人士打听适合的婚礼场地，时间点大致落在年底前后。面对外界纷纷扬扬的猜测与关注，陈柏霖的经纪人随后作出回应，表示：“谢谢大家的祝福，如果有好消息一定会向大家公布。”这一回应态度低调，既未直接否认也未确认婚讯，留下了充分的想象空间。然而，在2025年7月15日，陈柏霖本人接受媒体采访时却给出了不同的说法，他明确表示“我没有要结婚”，同时也坦言自己确实感受到了来自各方的催婚压力。时间来到同年12月1日，据台湾媒体报道，陈柏霖原本计划于当年年底在新西兰举办的婚礼已经确定延期。报道中提及，“陈柏霖最近颇为心烦，他不得不逐一打电话向家人、好友以及相关合作厂商说明情况，只是这次延期究竟会延到何时，目前暂时还无法确定。”这一系列动态显示出陈柏霖在个人婚事上的计划似乎仍在变化与调整之中。
二零一三年二月，演员陈柏霖应亚洲善待动物组织的邀请，参与拍摄了一则公益广告，他在广告中公开呼吁公众拒绝穿着动物皮草，并强调不应为了获取皮草而虐待动物。二零一五年七月十五日，陈柏霖出席了由周迅工作室发起并主办的“ONE NIGHT”慈善晚宴，在当晚的拍卖环节中，他慷慨捐出了个人珍藏的手包进行义拍，并将最终筹得的二十万元善款全额捐赠给自闭症儿童相关帮扶机构，用于支持该群体的康复与成长。二零一六年六月，陈柏霖再次与亚洲善待动物组织合作，通过出演公益短片积极响应“领养代替买卖”的倡导，推广人道对待动物的理念；同年九月，他积极参与了“挑战篮球传奇”公益游戏接力活动，通过完成挑战任务，为西部偏远地区的儿童募集资金，助力当地篮球场的建设，为孩子们提供更好的运动环境。二零一七年七月，陈柏霖将自己在综艺节目《花儿与少年》旅程中使用过的一组旅行箱包进行公开拍卖，并将拍卖所得的全部款项捐赠给周迅女士创办的“ONE NIGHT”公益项目，专项用于关爱与帮助特殊儿童群体，持续为慈善事业贡献自己的力量。
2025年10月21日，由艺人王大陆引发的逃兵役案件持续发酵，影响范围进一步扩大，台湾地区检警部门为此展开了第三轮大规模搜索行动。在此次行动中，知名艺人陈柏霖等人被检方依法拘提，并被带往警局接受侦讯。调查人员将重点询问他们如何结识并联系到本案中协助逃避兵役的陈姓主要嫌疑人，同时也将详细调查具体的逃避兵役手法、所需费用以及其他相关细节。值得注意的是，陈柏霖曾在2011年前后以患有“气喘病”为由成功申请并获得免服兵役的资格，然而在此次案件的深入调查中，这份免役记录的真实性受到了检方的强烈质疑。检调单位在王大陆案件主犯的通讯记录内，发现了提及“曾为陈柏霖服务”的关键线索，从而将调查方向指向陈柏霖。10月21日当天，陈柏霖在侦讯中承认了自己逃避兵役的行为，并供述曾花费十万元新台币，通过不正当手段伪装成高血压患者以规避兵役义务。同日，在检察官完成复讯程序后，陈柏霖被谕令以五十万新台币（约合十一点六万元人民币）的交保金额保释候审。陈柏霖随后表示，自己会尊重司法程序并全力配合后续调查，同时也对当天检察官的处理表达了感谢，称此事让他得以直接面对自己年轻时所作出的那个取巧且荒谬的错误选择。台湾省新北地区的检警部门透露，在警方询问结束后，陈柏霖等人因涉嫌伪造文书罪及妨害兵役治罪条例等相关罪名，已被依法移送法办。检方进一步说明，此案涉案人员若被证实涉及伪造文书或协助取得不实医疗诊断证明，依据法律最高可判处五年以下有期徒刑。随后在同年11月14日，台湾新北地检署正式依据“妨害兵役治罪条例”等罪名，对一起艺人逃兵役案件的主嫌陈志明在内的共十二人提起公诉，其中艺人陈柏霖被检方具体求处有期徒刑两年八个月。
从初登银幕时在《蓝色大门》中饰演青涩懵懂的少年“张士豪”，到后来成为温暖人心的经典角色“大仁哥”，陈柏霖始终在表演艺术的道路上不断探索与突破，他从未给自己设定固定的边界，那份对待每一部作品的诚挚态度与钻研角色的专注匠心始终如一，因此他能将不同角色之间巨大的性格与命运差异诠释得精准而富有层次。陈柏霖最初是凭借《蓝色大门》这部作品走入广大观众的视野，随后又通过电影《五月之恋》中那个灿烂明亮的阳光男孩形象进一步赢得了观众的喜爱与认可。然而他并未止步于此，在之后出演的《在黑暗中等待相遇》里，他彻底跳脱了既往的清新形象，展现出了截然不同的表演面向。而在作品《气喘吁吁》中，他所塑造的李心红这一角色更是其演艺生涯中的一次重要突破，片中他以阴郁、颓唐乃至有些破碎的气质，彻底颠覆了往日留给人们的阳光帅气印象，让观众真切地看到了一个更具深度与复杂性的陈柏霖。得益于其俊朗的外形与出众的个人气质，更依靠一步一个脚印的扎实积累，从《蓝色大门》到《我可能不会爱你》，再到《后会无期》，陈柏霖逐步蜕变，已然成长为华语电影界中一位兼具迷人外表与扎实演技的优秀演员。