2001年，陈数出演个人首部电视剧《旅人的故事》，在剧中饰演上海女孩“朱美”，由此进入娱乐圈。

2002年6月14日，与吴卫东、马跃、王思懿联袂出演的刑侦剧《危险进程》首播，陈数饰演爱上贩毒分子后，在爱情与道德中挣扎徘徊的“夏小玉”；7月1日，与侯勇、周莉共同主演的抗战电影《声震长空》上映，陈数在片中饰演想上前线为亲人报仇的播音员“郑之钰”。

2003年，与马跃、孔维、杨圣文主演了由杨凤良执导的刑侦剧《铿锵玫瑰》，陈数在剧中饰演刚从警官学校毕业的女刑警“章子惠”。

2004年3月1日，与马跃、张琪、李宏伟一同出演的刑侦剧《毁灭》开播；3月14日，与侯勇、刘长纯、许戈联合出演的抗战剧《无愧苍生》播出，陈数饰演的陆冰冰一角，年龄跨度近四十年。

2005年4月27日，与马跃、刘威葳领衔主演的谍战剧《古城谍影》首播，陈数出演理智聪慧的情报侦察员“葛茵红”；10月24日，与柳云龙、王宝强、高明联袂出演的谍战剧《暗算》开播，陈数在剧中饰演美貌与智慧并重的天才数学家“黄依依”，并凭借这一角色获得了改革开放三十年来“十大经典电视剧人物奖”。

2007年1月25日，与黄晓明、孙俪、黄海波共同主演的民国情仇剧《新上海滩》播出，陈数饰演风情万种、善良多情却又孤独彷徨的交际花“方艳芸” [19]  ；4月11日，与李强、韩青、宁晓志联合主演的悬疑剧《食人鱼事件》播出，陈数在剧中饰演肩负重任的侦察科长“沈鸥”；4月12日，陈数在“2007福布斯中国名人颁奖典礼”上获得了“最具潜力名人奖”。

2008年4月13日，与吴秀波、浦蒲、孙淳一同主演的都市情感剧《相思树》首播，陈数出演因不安于现状而出轨的电台女主播“尚洁”；5月，领衔主演的话剧《日出》在国家大剧院首演，陈数饰演追求奢华的物质生活，却又在精神上厌恶这种生活的交际花“陈白露”；12月22日，陈数在BQ2008红人榜颁奖典礼上凭借话剧《日出》获得了年度艺术红人奖。

2009年3月14日，与黄觉、王学兵领衔主演的民国爱情剧《倾城之恋》播出，陈数饰演感情之路坎坷的白家六小姐“白流苏” ，凭借这一角色获得了第四届韩国首尔电视节最佳女演员奖提名，第4届华鼎奖中国爱情题材类最佳女演员奖 ；9月16日，历史电影《建国大业》首映，陈数在片中客串妇女代表一角 [24]  ；12月10日，领衔主演的话剧《简·爱》首演。

2010年4月16日，陈数与巍子、杨志刚联袂出演的传奇剧《铁梨花》开播，她在剧中饰演聪明大气的传奇女子“铁梨花”，并凭借该角色获得了第17届上海电视节白玉兰奖电视类最佳女演员奖、第26届中国电视金鹰奖观众喜爱的电视剧女演员奖以及第6届华鼎奖电视剧最佳女主角奖；11月1日，与黄海波、杨志刚、巍子共同主演的抗战剧《将·军》播出，陈数饰演有情有意的粤调名伶“沈红玉”。

2011年2月2日，陈数登上2011年央视兔年春晚，与黄宏、孙涛、张凯丽合作表演了小品《“聪明”丈夫》，该节目获得了我最喜爱的春节联欢晚会节目评选活动小品类二等奖；3月18日，签约SMG尚世影业；8月，陈数参加中国电视艺术家协会演员工作委员会成立仪式，并被授予副会长头衔 。

2012年2月23日，搭档黄磊主演的都市情感剧《夫妻那些事》在湖南卫视播出，陈数在剧中饰演外表坚强但内心柔软的建筑设计师“林君”；3月8日，与舒淇、余文乐、奚美娟联合出演的爱情悬疑电影《情谜》上映，陈数在片中饰演年轻性感的舞台剧演员“Amy”；3月10日，与陈宝国领衔主演的抗战剧《正者无敌》首播，陈数在剧中饰演川军师长冯天魁美貌智慧、风情万种的的二姨太“沈虹”，由此获得了第19届上海电视节白玉兰奖连续剧类最佳女演员提名 ；6月，陈数出任第18届上海电视节白玉兰奖评委。

2013年1月1日，与林永健领衔主演的都市情感喜剧《天真遇到现实》首播，陈数在剧中饰演乐观、天真的单身妈妈“杨天真”；1月14日，在新浪2012微博之夜庆典中，陈数获得了微博年度风雅人物奖；3月31日，陈数获得了2012中国电视剧年度明星盛典“年度十佳女演员奖”；11月25日，参演的环保公益短片《地球来信了》上映。

2014年1月1日，与孙红雷、巍子共同主演的年代传奇剧《一代枭雄》开播，陈数饰演气质如兰的留洋归国女教师“程立雪”；4月4日，搭档黄磊主演的都市情感剧《我爱男闺蜜》首播，陈数在剧中扮演独立坚