2015年1月8日，陈柏霖主演的奇幻喜剧片《重返20岁》上映，饰演“高冷范儿”的音乐总监谭子明。而陈柏霖除了担任电影男一号之外，同时也是该电影的主要投资人之一，该片内地票房收获3.5亿[11-12] ；6月4日，陈柏霖和孙艺珍领衔主演的悬疑片《坏蛋必须死》在韩国济州岛杀青[26] ；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[27-28] ；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[29-30] ；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[31-33] ；11月27日，其主演的悬疑电影《坏蛋必须死》上映，影片还入围了第20届釜山国际电影节[13] [34] ；12月18
日，陈柏霖主演的奇幻喜剧电影《万万没想到：西游篇》上映，并在片中饰演了博学多识、深谋远虑的唐僧一角[35] 。
2016年3月，陈柏霖搭档宋智孝参加江苏卫视真人秀节目《我们相爱吧第二季》；3月28日，其出演的韩国MBC电视台爱情剧《怪物》播出[36] 。
2017年5月，陈柏霖搭档景甜主演改编自著名漫画家游素兰经典之作的《火王之破晓之战》，在剧中出演肩负重大使命，拥有绝密身份的火王仲天，在麦哲伦星球与唐朝两个不同时空，与景甜上演旷世绝恋[37] ；同年，搭档林允主演迪士尼首部华语爱情片《假如王子睡着了》