2009年，陈晓从中央戏剧学院毕业，签约华谊兄弟。 同年参演韩刚执导的电视剧《孔子》；参演徐克导演刘德华、梁家辉主演的电影《狄仁杰之通天帝国》，饰演国师陆离。虽然戏份少，但陈晓表示，这段经历让他体会到影视制作中的专业精神，自己受益匪浅 。
2010年，陈晓出演李慧珠导演任泉出品于正制作的电视《国色天香》，演绎重情重义的仆人贺坤；出演革命励志片《东山学堂》，饰演留洋归来的儒雅大方的教师萧洋；参演于正工作室出品的贺岁电视剧《欢喜婆婆俏媳妇》，饰演“少帅”郭啸天 。
2011年，陈晓签约于正工作室；同年参演电视《王的女人》，饰演罗丰，这是陈晓签约于正工作室的首部作品。
2012年，陈晓在电视《宫锁珠帘》中出演十九阿哥爱新觉罗·允禧；参演《赏金猎人》，饰演纨绔子弟白少群 。同年，新版《笑傲江湖》开拍，陈晓饰演亦正亦邪的林平之。荣获中国校园文艺榜中榜年度“最受青少年喜爱的影视偶像”奖。
2013年，电视剧《陆贞传奇》在湖南卫视播出，陈晓第一次挑大梁出演男一号高湛，睿智、隐忍、痴情、十全十美的太子，夺得安徽卫视国剧盛典“极具青春号召力演员”奖，以及2013亚洲偶像盛典最具潜力男演员奖。主演的电影《宫锁沉香》七夕情人节上映，陈晓饰演男一号爱新觉罗·胤祥，与周冬雨饰演一对恋人。同年，陈晓与杨颖、杜淳等主演电视剧《大汉情缘之云中歌》，饰演刘病已；友情客串古装职场喜剧电视剧《龙门镖局》，在第10、11集中饰演看似冷面无情、实则蠢萌可爱的东厂杀手苗星仁。主演古装剧《神雕侠侣》，出演男一号杨过，该剧于2014年播出，陈晓饰演的杨过获得大量原著粉丝的认可和喜爱；主演奇幻题材微电影《圣王》并献唱同名主题曲。
2014年，陈晓特别出演徐克导演的电影《智取威虎山》，凭借呆萌英勇的警卫员高波获得第33届大众电影百花奖最佳男配角提名；与周冬雨联袂主演海润影视出品的时装剧《遇见爱情的利先生》，饰演男一号利耀南，该剧为陈晓首次试水时装剧；主演古装武侠剧《五鼠闹东京》，饰演“锦毛鼠”白玉堂 。12月，陈晓参演由韩国导演朴裕焕执导的中韩合拍温情悬疑电影《神秘家族》，饰演弟弟，首次触电悬疑片。
2015年4月12日，陈晓加盟并担任中央电视台电影频道cctv-6首档青春益智真人秀《校花与学神》的导师。4月，陈晓主演内地首部以娱乐圈为主要背景的偶像剧《云巅之上》，饰演唐斐。8月20日，联袂杨颖、倪妮主演的都市喜剧电影《新娘大作战》上映，饰演男主角凯文。2015年12月底，与陈意涵合作主演的《火柴小姐和美味先生》开机，并于2016年3月杀青。
2016年1月15日，《睡在我上铺的兄弟》网剧作为同名电影的前传在乐视网上线，而青春校园电影《睡在我上铺的兄弟》则于4月1日全国上映，陈晓出演男一号林向宇 [38] 。5月底，和颖儿联袂主演都市爱情喜剧《舒克的桃花运》，饰演售楼男舒克 。
2017年1月4日，陈晓主演的《遇见爱情的利先生》在浙江卫视首播，饰演男主角利耀南 ；3月30日，陈晓主演的《云巅之上2》开播。8月30日，搭档孙俪主演的年代传奇剧《那年花开月正圆》在东方卫视、江苏卫视黄金档播出，该剧夺得飞天奖历史题材优秀电视剧，陈晓凭借二少爷沈星移一角摘得电视剧品质盛典“年度观众喜爱品质剧星”和“2017年度受网络关注男演员”奖。12月，陈晓主演电视剧《红蔷薇》在江苏卫视播出，饰演多面间谍肖君浩。
2018年1月7日，陈晓作为国宝——宋人摹顾恺之《洛神赋图》的守护人亮相CCTV-3文博探索节目《国家宝藏》，化身“画圣”顾恺之演绎这幅千古名画的创作过程 。2月15日，登上2018年中央电视台春节联欢晚会舞台，与佟丽娅、凤凰传奇、容祖儿等表演开场歌舞《万紫千红中国年》 。3月25日，在央视一套人文艺术类节目《信·中国》中担当信使，念读了“两弹一星”元勋朱光亚的信件 。4月，主演由毛卫宁执导的公路悬疑爱情剧《一场遇见爱情的旅行》，饰演新晋缉毒警员金小天 。
2019年，与靳东、闫妮、黄志忠等主演由沈严、刘海波联袂执导的电视剧《人民的财产》 。2月11日，主演的古装励志权谋剧《独孤皇后》在爱奇艺、腾讯视频、优酷视频播出，在剧中陈晓饰演骁勇善战的杨坚，立下赫赫战功，在乱世之中登上皇位 。4月19日，与杜鹃合作主演的爱情片《如影随心》上映，在片中饰演不受重视的乐团小提琴手陆松 。4月28日，凭借电影《如影随心》获得第26届北京大学生电影节最受欢迎男演员奖 。7月，国家广电总局电视剧司发布庆祝新中国成立70周年推荐播出参考剧目名单，陈晓主演的两部剧《陆战之王》与《了不起的儿科医生》皆入围其中 。8月26日，《陆战之王》作为国家广电总局重点推荐的15部剧目之一在浙江卫视、东方卫视黄金档播出，陈晓饰演的新兵张能量个性张扬而勇敢顽强，在和老兵的一次次观念碰撞中，不断经受磨砺、收获成长，最终成为一名合格的新时代坦克兵。10月15日，陈晓领衔主演的都市轻喜剧《好好说话》官宣了十二位人物海报，同时释出了首款概念海报。