2012年，陈学冬开始参演根据郭敬明长篇小说改编的《小时代》系列影片，而他则在片中扮演了温柔纯真的美男作家周崇光。

　　2013年6月27号，陈学冬与杨幂、郭采洁等领衔主演的都市青春片《小时代》上映，这部片上映首日票房约7300万元，同时也打破了中国2D影片的首日票房纪录；8月8号，陈学冬主演的都市青春片《小时代2：青木时代》上映，并献唱影片插曲《万物无邪》。

　　2014年7月17号，由陈学冬主演的《小时代3：刺金时代》上映，这部片取得750万元的首映票房，创造了国产影片首映历史最佳。而陈学冬则在片中第一次挑战一人分饰两角，扮演了作家周崇光和改头换面归来的模特陆烧，并演唱插曲《不再见》；10月17号，其参与录制的湖南卫视真人秀节目《一年级·小学季》播出，并在节目中担任实习班主任；11月28号，爱情喜剧片《坏姐姐之拆婚联盟》上映，陈学冬在片中扮演了咖啡师黄一峰，这部片是他第一次参与演出喜剧影片。

　　2015年3月份，陈学冬为真人动画片《帕丁顿熊》中主角帕丁顿熊配音；3月11号，在由张艺谋执导的奇幻动作片《长城》中扮演一名御林军军官；5月8号，陈学冬推出单曲《大家都一样》；7月9号，其主演的《小时代4：灵魂尽头》上映，并演唱片尾曲《岁月缝花》；12月4号，陈学冬在上映的喜剧片《从天儿降》中扮演了外冷内热的男主角辰默。

　　2016年6月8号，陈学冬和欧阳娜娜合作主演的时尚爱情剧《是!尚先生》播出，他在这部剧中扮演帅气多金又敏感的尚铂燃，并献唱主题曲《碎碎恋》；6月20号，搭档颖儿主演的励志谍战剧《解密》播出，这部剧根据麦家的同名小说改编，陈学冬在这部剧中扮演患有自闭症的数学天才容金珍，凭借这部剧中的表现他获得了国剧盛典最具表现力演员奖；9月30号，由郭敬明执导的真人CG奇幻影片《爵迹》上映，陈学冬在片中扮演单纯善良、长相俊美的现任七度使徒麒零，并演唱片尾曲《人间沙》；同年，获得第13届年度先生盛典最受欢迎男艺人。

　　2017年6月11号，陈学冬与郑爽共同主演的青春偶像剧《夏至未至》播出，他在这部剧中扮演不善表达的傅小司；11月22号，获得第14届年度先生盛典年度突破演员奖；12月份，在2017商业星力量巅峰人物年度盛典上获得年度吸引力明星奖；12月8号，陈学冬与张孝全、桂纶镁领衔主演的犯罪片《巨额来电》上映，并在片中扮演一名固执的警察丁小田。

　　2018年5月5号，陈学冬作为首发歌手参加的明宙匙葛狼星跨界音乐真人秀节目《跨界歌王第三季》首播；7月7号，参与录制的首档亲情观察成长励志节目《我家那小子》首播；仍是这年10月份，陈学冬主演的电视剧《小夜曲》开机；12月21号，陈学冬和古天乐合作主演的奇幻喜剧片《武林怪兽》上映，这是他首部古装影片。

　　2019年3月6号，陈学冬正式加盟和颂传媒；10月份，领衔主演电视剧《格林威治时间》，在这部剧中扮演睿智豁达的韩驰；7月10号，陈学冬主演的都市青春剧《南十字星浪漫笔记》在上海开机拍摄，在这部剧中扮演男主角郝未来。

　　2020年7月31号，陈学冬演出的全明星竞技类实景游戏真人秀《元气满满的哥哥》上映；12月4号，主演的爵迹系列第二部影片《冷血狂宴》在Tencent视频播出。

　　2021年，陈学冬参加综艺节目《脱口秀大会第四季》。2021年6月11号，陈学冬参演真人秀节目《做家务的男人第三季》播出；这年，参加真人秀《姐妹俱乐部》。

　　2022年4月1号，陈学冬领衔主演的都市校园轻喜剧《原来是老师啊!》在爱奇艺播出，并演唱主题曲《草木皆有趣》及片尾曲《天生不配》。