2001年14岁的陈伟栋出演首部电视剧《相思成云烟》;同年出演都市反腐剧《忠诚》,饰演高强;2002年首次参演电影《芬妮的微笑》,饰演儿子小龙。
2005年,陈伟栋出演的古装历史戏说剧《汉武大帝》正式播出,陈伟栋在剧中饰演少年刘荣;2006年考入北京电影学院表演系;2008年与贾静雯等主演古代传奇剧《晋阳老醋坊》以及出演革命题材的电视剧《周恩来在上海》。
2006年出演《火力少年王》饰演麦军。
2010年,陈伟栋从北京电影学院毕业,参演周润发、周迅等主演的古装电影《孔子》,饰演曾参并与胡歌等合作主演辛亥革命百年纪念电影《辛亥革命》,饰演潘达微。
2011年,陈伟栋在青春励志《警校生》中担任男主角刘力并客串都市情感剧《永远的忠诚》和历史剧《开天辟地》。
2013年,陈伟栋出演年代战争剧《乱世三义》,饰演索鸿儒;同年出演《青年霍元甲》并在电影《香榧树下》担任男主角锦树。
2014年3月,陈伟栋与范雨林等主演家庭刑侦伦理剧《刑警战记》,饰演黄宜轩。
2015年,与郭昊伦、茅子俊、黄世超主演电视剧《希望使命》,饰演男二号韩冰。同年,与郑强、卢蒽洁主演由周晓鹏执导的3D恐怖片《催命符》,饰演男一号孙广。随后,与卢蒽洁、姜怡伊、侯迪主演由周晓鹏执导的《弄潮时代》,饰男一号邵兵。此外,还与李泽锋、张逗逗共同出演由刘云执导的电视剧《念念不忘的岁月》,饰马渤海(男二)。
2016年,与俞灏明合作出演由管虎执导的电视剧《外滩的钟声》,饰郭阿昌。同年,与钱泳辰、刘芊含合作主演由柏杉执导的近代革命剧《黄埔女生》,饰演男二号贺振庭。
2019年11月27日,与于朦胧、苗苗等合作主演的青春热血竞技剧《青春抛物线》在腾讯视频、爱奇艺、优酷首播,在剧中饰演排球教练韩浩。