陈伟霆2003年因参加全球华人新秀香港区选拔赛而进入演艺圈。2006年成为Sun Boy’z组合一员。2008年独立发展，同年推出首张个人专辑《Will power》，并获香港十大劲歌金曲颁奖礼“最受欢迎男新人金奖”、香港十大中文金曲“最有前途新人金奖”。
2013年出演灾难电影《救火英雄》，并凭借其饰演的张文健一角获澳门国际电影节最佳男配角奖项。2014年其主演的古装玄幻爱情剧《古剑奇谭》在湖南卫视钻石独播剧场开播，在剧中他饰演大师兄陵越一角，并因此被内地观众熟知。
2014年参演励志喜剧电影《男人不可以穷》，于2014年11月25日凭借其饰演的男二号薛可勇一角获得欧洲万像国际华语电影节最佳青年男演员奖。该片也随后于2014年12月24日在内地上映。
2014年12月17日，陈伟霆在2014国剧盛典上获得“2014年度最受欢迎全能艺人”以及“2014年度电视剧媒体最期待演员”两项奖项。
2010年3月，以“饥馑天使”身份出席“饥馑三十2010”记者会；12月，陈伟霆出席活动为大会倒模了一个胸肌模型，放于网上作慈善拍卖，呼吁大众关注乳癌问题。
2011年10月27日，陈伟霆在东港城出席“2011世界人居日 十月建家在中华”记者会，担任建屋大使的陈伟霆与嘉宾分享早前到云南及香港大澳修建房屋的义工工作。2012年2月，陈伟霆出席港台关爱老年人活动，与长者一起攀岩。
