2006年1月26日，与谢霆锋合作主演的喜剧片《春田花花同学会》上映，片中饰演形象邋遢的懵懂少年；4月7日，与伊东美咲合作主演的爱情片《恋爱地图》上映，在“东京篇”中饰演一位梦想成为漫画家的台北少年姚；同年，他还与田中丽奈合作出演了奇幻爱情片《幻游传》；9月16日，主演的爱情片《蜜糖与调味：风味绝佳》在日本上映，片中饰演十分绅士又神秘的迈克；9月29日，在上映的科幻惊悚片《诡丝》中饰演了反重力小组成员胡守仁。

2007年1月8日，其主演的电视剧《东京塔》在日本富士电视台首播，陈柏霖在剧中饰演一个来到日本留学，在夜店工作的青年Leo，而这也是陈柏霖首次出演日剧；此后陈柏霖涉足日本影坛，并首次以全日语对白出演爱情电影《在黑暗中等待相遇》，他在片中饰演了性格孤癖的中日混血儿大石；6月22日，担任第9届台北电影节大使。