2006年6月以新成员身份加入组合Sun Boy’z,开始建立跳舞歌手的形象,并参与大型音乐剧及海外巡回演唱会演出,分别推出广东及国语大碟。
2008年4月开始独立发展,同年9月推出个人首张音乐专辑《Will Power》,凭借该专辑获得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。
2009年7月17日,发行个人第二张音乐专辑《Warrior战士》,该专辑以绿色为主色,代表大自然的力量,以雪地及荆棘代表险阻困难。24日参演的香港警匪电影《窃听风云》与中国内地上映。
2010年3月,参演爱情喜剧电影《美丽密令》,剧中饰演《秦朗》。4月,发行个人第三张音乐专辑《Do You Wanna Dance》,在该专辑再献动感歌舞,此次同名主打歌走轻快的唱跳路线,由陈台证与周耀辉为William量身订做。6月,主演爱情电影《前度》,剧中饰演陈均平。12月6日发行个人第四张音乐专辑《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”。
2011年3月,与夏文汐、叶璇、吴家丽、联合主演的的电影《出轨的女人》作为第三十五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》,此张专辑以色彩对比的全新形象示人,加上他擅长的跳舞主打歌《Baby Don´t Cry》,一经发行收获歌迷无数。 9月,在香港新都城中心出席颁奖礼,并获2011年《十大健康之星》。
2012年7月10日,发行了个人第六张音乐专辑《Pop It Up》,此张专辑与首次合作的幕后创作班底共同创作出新风格,整张唱片充满惊喜及无限创意,令乐迷感受耳目一新的William。
2013年将工作重心转至中国内地,2月底接拍盛世美颜谜侠情巅大剧《少年四大名捕》,7月正式签约欢瑞世纪旗下阿诺工作室,同时接拍电视剧《古剑奇谭》,剧中饰演紫胤真人座下大弟子陵越。
2014年1月,参演由由郭子健执导的剧情灾难电影《救火英雄》开始上映,剧中饰演新晋消防员张文健,并凭借该角色获澳门国际电影节最佳男配角奖项。7月2日,参演由梁胜权和黄俊文联合执导古装仙侠电影《古剑奇谭》登陆湖南卫视钻石独播剧场播出,在开播第一天便创下了全国网1.57%的收视率,成功登顶电视剧收视榜单榜首。播出第二周更是成功刷新周播剧收视纪录,以全国网2.02%的成绩稳居电视剧收视榜首,截止8月24日的网络播放量已成功突破50亿大关,成为新一代网络神剧,而陈伟霆也因大师兄陵越一角被内地观众所熟知,并在国剧盛典一举摘得年度最受欢迎全能艺人与年度电视剧媒体最期待演员两项重量级大奖。12月24日,参演由钟澍佳执导的励志喜剧片《男人不可以穷》上映,剧中饰演性格叛逆、执拗的迷途青年薛可,并凭借在影片中扮演的薛可勇一角斩获最佳青年男演员奖。同时入围澳门国际电影节最佳男配角奖项。
2015年2月4日,与唐嫣、李易峰等主演由何澍培执导,李亚玲编剧的民国爱情剧《活色生香》在湖南卫视“金鹰独播剧场”首播,剧中饰演安逸尘,不仅首演民国戏,还首次挑战反派角色。3月17日,主演由梁胜权,黄俊文执导的盛世美颜谜侠情巅大剧《少年四大名捕》登陆湖南卫视《钻石独播剧场》首播,剧中饰演,四大名捕之一追命。这是陈伟霆第一次在内地拍戏,第一次出演古装打戏,第一次到横店。5月,凭借《古剑奇谭》中大师兄灵越一角入围上海电视节白玉兰奖最佳男配角提名,作为国内最具影响力的电视奖项之一,白玉兰奖代表着业内的肯定,这份认可也成为陈伟霆演艺事业上的推进力,让人更加期待他接下来参演的作品。5月11日,陈伟霆登上2015年福布斯中国名人榜,排名第70位。6月5日.与斯琴高娃等主演由陈丽英(中国香港)执导的的3D动作电影《搏击迷城》上映,在影片中一人分饰三角波士/若男/赤那思。16日,发行EP《等等》,共收录两人行、好想抱着你、无言守候、有借有还四首歌曲,EP预购销量已破白金数字,公司加急补货,以备市场供求之需。最新一期的《全球中文音乐榜上榜》榜单上,陈伟霆EP《等等》中的新歌《好想抱着你》霸占冠军位置。7月,与刘烨、宋承宪领衔主演由国家一级导演萧锋执导,好莱坞导演梅尔·吉布森担任艺术指导的战争历史影片《大轰炸》开机拍摄,影片忠饰演程霆。10月26日,发行和徐浩、廖志华共同作曲的歌曲《1121》。
2016年1月16日,与赵丽颖、吴奇隆等领衔主演由黄伟杰执导的古装仙侠电视剧《蜀山战纪之剑侠传奇》安徽卫视寒假黄金档日播,同时也打破了长久以来的台网联动和视频网站的跟播模式,剧中主演丁隐。2月24日,主演由刘俊杰执导的都市爱情剧《因为爱情有幸福》在湖南卫视金鹰独播剧场播出,在剧中饰演新时代好男人苏凯文,积极向上的形象与角色契合得恰到好处,被一众网友封为“国民老公”,并为该剧配唱片尾曲《好想抱着你》。3月10日,主演由哈斯朝鲁执导的历史影片《铁木真传说》开机拍摄,剧中饰演铁木真。6月23日,主演由林合隆执导的都市爱情剧《缘来幸福》在深圳卫视上星播出。剧中饰演何慕的哥哥完美主义者何瀚。7月4日,与张艺兴、赵丽颖领衔主演由梁胜权、何澍培、黄俊文联合执导的民国悬疑剧《老九门》在东方卫视周播剧场播出,剧中饰演九门之首张大佛爷。19日在北京举行“Inside Me”巡演发布会,这是其首次个人巡演。8月12日,主演由邹佡执导的爱情喜剧电影《那件疯狂的小事叫爱情》在中国大陆上映,剧中饰演男一号剪辑师江洋,讲述了他经历着人生中最苦逼的日子,导演梦被嘲笑、漂亮女友被惦记、古板父亲不可理喻,屋漏偏逢连夜雨,工作上又发生重大失误,使得江洋阴差阳错踏上一段疯狂之旅的故事。9月30日,与范冰冰、吴亦凡等主演由郭敬明执导的真人CG奇幻片《爵迹》在中国大陆上映,剧中饰演现任二度王爵幽冥。同年与刘诗诗等联袂主演由林玉芬执导的古装奇幻权谋剧《醉玲珑》。