2012年12月，《小时代》片方公布作家崇光一角由陈学冬饰演。

2013年6月27日，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，该片上映首日票房约7300万元，同时也打破了中国2D电影的首日票房纪录；8月8日，其主演的都市青春片《小时代2：青木时代》上映，并献唱电影插曲《万物无邪》。该片则取得2.9亿元的票房成绩 。

2014年7月16日，由陈学冬演唱的《小时代3》主题曲《不再见》发布 。7月17日，陈学冬出演的电影《小时代3》在中国公映 。10月，陈学冬参加湖南卫视真人秀《一年级》，与小宋佳合作，担任实习班主任 。 该活动已于2014年11月底结束。11月28日，陈学冬参演的爱情喜剧电影《坏姐姐之拆婚联盟》在中国大陆上映 。

2015年1月，2014新浪微博之夜在北京国贸三期隆重举行，刚刚结束忙碌伦敦时装周的陈学冬亮相红毯，获封“微博年度男神” 。3月5日，陈学冬参与配音的真人动画电影《帕丁顿熊》在中国大陆上映，陈学冬为主角帕丁顿熊配音 。3月11日，陈学冬确定出演由张艺谋执导的电影《长城》 。3月17日，确定参演《从天儿降》。同时郭敬明发微博称陈学冬加盟并出演他的电影《爵迹》。 5月8日，为网易《小时代》（官方游戏）演唱主题曲《我们都一样》 。6月参加江苏卫视真人秀《真心英雄》 。7月9日，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日，由陈学冬主演的电影《从天儿降》全国公映 。同年，参演电视剧《解密》，该剧已于2016年6月20日在湖南卫视金鹰独播剧场播出 。

2016年3月，陈学冬主演的青春时尚大剧《是！尚先生》开机，6月8日登陆湖南卫视“青春进行时”周播栏目 ，并为该剧演唱主题曲《碎碎恋》并拍摄mv 。同年6月，参与浙江卫视大型原创职业体验真人秀《挑战者联盟第二季》 ，2016年8月主演电视剧《夏至未至》，预计于2017年暑期播出 。2016年9月为电影《爵迹》演唱片尾曲《人间沙》 。同年12月，陈学冬获百度娱乐年度人物奖 ；国剧盛典获封2016表现力演员 ；年度先生盛典2016年度最受欢迎男艺人 。

2017年1月，陈学冬受邀参与米兰时装周，为Dolce&Gabbana走秀，当天代班掌管品牌官微 。2017年3月，陈学冬主演电影《猜猜我是谁》 ，该片由彭顺导演，陈学冬、张孝全、桂纶镁、蒋梦婕共同出演。之后主演刘伟强执导电影《武林怪兽》，搭档古天乐，周冬雨等。2017年与郑爽共同主演的电视剧《夏至未至》，于2017年6月11日登陆湖南卫视金鹰独播剧场。12月8日，其与张孝全、桂纶镁领衔主演的犯罪片《巨额来电》上映，并在片中饰演一名执着的警察丁小田。

2018年5月5日，陈学冬作为首发歌手参加的明星跨界音乐真人秀节目《跨界歌王第三季》首播。7月21日，参加的综艺节目《我家那小子》在湖南卫视播出。同日，参加综艺节目《跨界歌王》。7月28日，参加综艺节目《跨界歌王》第三季。8月4日，参加综艺节目《跨界歌王》第三季总决赛，获得最佳表现奖。8月17日，参加综艺节目《七夕爱情歌会》。12月，主演的动作喜剧电影《武林怪兽》上映。