2009年,陈晓从中央戏剧学院毕业,签约华谊。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,睿智隐忍痴情完美的太子,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;客串《宫锁连城》,饰演萨满;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;以及同名微电影《神雕侠侣》,饰演杨过。担任3D网游圣王OL和神雕侠侣手游代言人,献唱《圣王》的同名主题曲《圣王》。
2014年,陈晓特别出演徐克导演的电影《智取威虎山》,饰演呆萌英勇的警卫员高波,该片于2014年12月24日上映;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;代言肯德基甜饮系列;担任韩国思妍丽“膜天下U·MASK”新概念品牌的中国区代言人;与杨颖、倪妮、朱亚文共同主演陈国辉导演的都市喜剧电影《新娘大作战》;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。与杨颖、倪妮领衔主演的都市喜剧电影《新娘大作战》8月20日全国各大院线同步上映,陈晓饰演男主角凯文。同年,陈晓参演由高晓松担纲编剧,李锦文监制,张琦导演的正能量青春校园电影《睡在我上铺的兄弟》,饰演男一号林向宇,这也是陈晓首次出演校园电影。