在海外發展多年後，陳柏霖於2011年返回台灣演出偶像劇《我可能不會愛你》中的「李大仁」一角，因溫柔深情的形象而爆红两岸三地，並讓「大仁哥」這個綽號成為華人心目中最佳情人的代名詞；至此陳柏霖出道十年，演藝事業再創高峰，並憑此劇先后獲得2012年第47屆金鐘獎戲劇節目最佳男主角獎、2012年安徽卫视国剧盛典港台地区年度网络最受欢迎男演员奖、2012年香港雅虎人气大奖海外最受欢迎男演员奖。其後他在台灣又陸續演出《BBS鄉民的正義》、《變身》等電影。另外在2012年益智節目《百萬小學堂》中，陳柏霖順利通過10關，成為該節目史上(2008~2013)唯一一位完全過關並獲得獎金10萬元之得主。