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，他出演的《小时代》和《小时代2：青木时代》相继上映。
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》。6月参加江苏卫视真人秀《真心英雄》，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[11]  。同年12月，陈学冬获百度娱乐年度人物奖。