2006年6月，以新成员身份与张致恒、麦子豪组成Sun Boy'z组合，开始建立跳舞歌手的形象进入演艺圈。2008年4月，Sun Boy'z组合正式解散；9月，推出个人首张音乐专辑《Will Power》。2009年7月17日，个人第二张音乐专辑《Warrior战士》发行；同月24日，参演的香港警匪电影《窃听风云》上映。2010年3月，出演爱情喜剧电影《美丽密令》；4月，发行个人第三张音乐专辑《Do You Wanna Dance》；6月，主演爱情电影《前度》；12月6日，个人第四张音乐专辑《Heads or Tails》发行。2011年3月，主演的电影《出轨的女人》作为第35届香港国际电影节参展作品；8月25日，推出个人第五张音乐专辑《WOW》。2012年7月10日，个人第六张音乐专辑《Pop It Up》发行；11月，主演的黑帮动作电影《扎职》上映。2013年，将工作重心转移至中国内地；7月，正式将内地电视剧约签入阿诺工作室旗下。2014年1月，参演的灾难电影《救火英雄》上映；7月，出演的古装仙侠偶像剧《古剑奇谭》播出，该剧在播放期间获得了全国同时段电视剧收视率第一，网络播放量单集平均点击量突破1.5亿的成绩，而他也因大师兄陵越一角被内地观众所熟知；11月25日，主演励志喜剧电影《男人不可以穷》。2015年2月4日，出演的民国偶像剧《活色生香》播出；3月17日，出演的古装武侠剧《少年四大名捕》播出；6月5日，主演的动作电影《搏击迷城》上映，16日发行EP《等等》。2016年1月16日，主演的仙侠剧《蜀山战纪之剑侠传奇》在安徽卫视播出，该剧CSM35城平均收视率1.053，CSM52城平均收视率0.976；7月4日，主演的民国悬疑剧《老九门》播出，该剧在播出后引发了颇高的网络热度和话题热议度，长期居稳同时段收视榜首，而陈伟霆亦成为各大热搜榜的话题人物；8月，单曲《W企划》全网上线；同月，举行陈伟霆“Inside Me”巡回演唱会，这是其首次个人巡演。2017年1月27日，首次登上央视春晚舞台；7月13日，主演的古装奇幻权谋剧《醉玲珑》播出。2018年3月17日，作为热血召集人参加爱奇艺综艺节目《热血街舞团》；3月25日，主演的都市情感剧《南方有乔木》播出；4月28日，主演的魔幻电影《战神纪》上映；9月17日，主演的都市刑侦剧《橙红年代》播出。2019年9月23日，单曲《My Lady》上线；同年，福布斯中国名人榜上则位列第23。2020年1月24日，与张艺兴、董宝石在央视春晚上表演歌舞《过年迪斯科》。12月4日，主演的爵迹系列第二部电影《冷血狂宴》播出。2021年2月21日，与陈坤、周迅合作主演的奇幻电影《侍神令》上映。4月25日，与古力娜扎主演的都市谍战剧《风暴舞》开播。11月10日，主演的古装电视剧《斛珠夫人》播出。2022年1月31日，参加《2022年中央广播电视总台春节联欢晚会》，表演开场《欢乐吉祥年》。