Jabarkan 2015: Debut bersama DIA dari Jung Chae-yeon

Pada Februari 2015, MBK Entertainment mengumumkan rencana mereka untuk mendebutkan girl grup baru. Awalnya, perusahaan telah memutuskan kandidat yang mungkin bergabung dalam grup tersebut dengan mengikuti acara survival mereka, dengan tujuan agar masyarakat bisa lebih familiar dengan para anggota.

MBK Entertainment mengumumkan bahwa para kandidat potensial tersebut adalah Cathy, Eunjin dan Kim Minhyun. Minhyun kemudian meninggalkan proyek ini karena alasan pribadi, dan Moon Seulgi serta Chaeyeon ditambahkan untuk menggantikannya. Pada bulan Juni, MBK mengumumkan bahwa mereka telah membatalkan rencana mereka untuk mengadakan program survival, dan memutuskan untuk memilih para anggota dengan kemauan mereka sendiri. Setelah beberapa pergantian, para anggota final diungkapkan. Grup ini direncanakan untuk debut sebagai grup 7 anggota, yang terdiri dari: Seunghee, Cathy, Eunice, Jenny, Yebin, Eunjin dan Chaeyeon.

Pada 14 September 2015, DIA merilis album debut mereka, Do It Amazing. Pada hari yang sama, musik video untuk lagu utama mereka, "Somehow", dirilis. Penampilan publik pertama mereka juga dilakukan pada 14 September; grup ini melakukan showcase di Ilchi Art Hall di Seoul. Mereka melakukan debut resmi mereka di panggung M! Countdown pada 17 September 2015.

2016: Produce 101, debut bersama I.O.I

Pada bulan Desember 2015, MBK Entertainment mengumumkan bahwa Chaeyeon akan mundur sementara dari grup unuk mengikuti program survival Produce 101, dan dia telah mengikuti audisi dan menandatangani kontrak untuk mengikuti program tersebut sebelum melakukan debut resmi bersama DIA. Dia menempati peringkat ke-7 secara umum di babak final dengan 215,338 suara, membuatnya terpilih menjadi salah satu anggota I.O.I. Chaeyeon debut bersama I.O.I pada bulan Mei tahun 2016.

Pada 11 Mei, MBK Entertainment kemudian mengonfirmasi bahwa Chaeyeon akan kembali ke DIA untuk comeback mendatang mereka di bulan Juni. Pada 10 Juni 2016, YMC Entertainment mengungkapkan bahwa Chaeyeon tidak akan berpartisipasi dalam promosi unit I.O.I, karena dia saat itu sedang melakukan promosi bersama grupnya DIA dalam masa comeback mereka. Pada 30 Juni 2016, dia dikonfirmasi akan membintangi drama tvN "Drinking Solo".