2010年，参演首部电视剧《没关系，爸爸的女儿》，饰演郑真久的女儿郑世妍。

2011年2月，与千正明、韩智慧联袂主演历史剧《伙伴》；8月与韩高恩、吴世贞共同出演电视剧《Bilitis俱乐部的女儿们》；同年凭借《我的女儿是花儿》获得2011年SBS演技大赏女新人奖。

2012年，主演KBS电视台出品的水木剧《新娘面具》，凭借剧中饰演的变脸术士吴牡丹一角获得2012年KBS演技大赏女新人奖；同年主演SBS周末剧《五根手指》，饰演天才感性的钢琴演奏者洪多美，凭借洪多美一角受到观众关注，但因同时接拍两部电视剧引发争议。同年，成为韩国中央大学学生。

2013年8月31日-2013年12月1日，陈世妍出演了话剧《Closer》，饰演爱丽丝一角。

2014年1月，主演KBS水木剧《感激时代》，以上世纪30年代的上海为背景，讲述了韩中日三国黑社会之间的爱情、友情和兄弟义气，饰演申正泰的恋人金玉莲，演绎上海滩夜总会夜莺娇媚动人的形象。5月，与李钟硕、姜素拉、朴海镇共同主演SBS月火剧《doctor异乡人》，剧中陈世妍首次尝试一人分饰二角，既要饰演主人公朴勋的初恋宋在熙，又要饰演韩国医麻醉领域专家韩胜熙；7月代言DNF拼图手游《地下迷城勇士》，与李玹雨共同代言七喜饮料。9月陈世妍参与拍摄浪漫喜剧电影《警察家族》，饰演可爱开朗的女主角朴英熙，讲述的是警察家族出身的女儿和犯罪组织家族出身的儿子结婚的故事；与洪宗玄一同录制了将在电影末尾出现的OST《今生只有你》，《危险的见面礼2》4月29日韩国上映。11月15日凭借电视剧《doctor异乡人》获得第3届大田电视剧节女子人气赏。

2015年7月，出演由搜狐视频和韩国知名制作公司金钟学联手打造的网络剧《高品格单恋》中的女主角。11月确定出演MBC周末剧《狱中花》，成为该剧女主角。

2017年，主演TV朝鲜电视台古装剧《大君》，在剧中饰演凭借朝鲜第一的美貌而被两个王子爱慕，却不屈服于任何权力和诱惑，一心守护真爱的女主人公。

2018年，与Super Junior成员利特担任2018韩国大众音乐颁奖礼（KPMA）主持。

2019年，主演MBC电视剧《道具》，饰演犯罪心理分析师申素英。