陈柏霖凭借电影处女作《蓝色大门》被观众所熟知,成为青春的代言人。在逐渐适应明星生活并学会面对媒体后,陈柏霖并没有像其他同龄男艺人一样,参演能吸引更多人气的偶像剧,而是在大银幕上尝试各种作品和角色。从《我可能不会爱你》到《后会无期》,陈柏霖成功转型成为一位能够在商业片和文艺片中游刃有余的演员。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《20 30 40》[18] ;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。