2001年，陳數出演個人首部電視劇《旅人的故事》，在劇中飾演上海女孩“朱美”，由此進入娛樂圈。
2002年6月14日，與吳衛東、馬躍、王思懿聯袂出演的刑偵劇《危險進程》首播，陳數飾演愛上販毒分子后，在愛情與道德中掙扎徘徊的“夏小玉”；7月1日，與侯勇、周莉共同主演的抗戰電影《聲震長空》上映，陳數在片中飾演想上前線為親人報仇的播音員“鄭之鈺”。
2003年，與馬躍、孔維、楊圣文主演了由楊鳳良執導的刑偵劇《鏗鏘玫瑰》，陳數在劇中飾演剛從警官學校畢業的女刑警“章子惠”。
2004年3月1日，與馬躍、張琪、李宏偉一同出演的刑偵劇《毀滅》開播；3月14日，與侯勇、劉長純、許戈聯合出演的抗戰劇《無愧蒼生》播出，陳數飾演的陸冰冰一角，年齡跨度近四十年。
2005年4月27日，與馬躍、劉威葳領銜主演的諜戰劇《古城諜影》首播，陳數出演理智聰慧的情報偵察員“葛茵紅”；10月24日，與柳云龍、王寶強、高明聯袂出演的諜戰劇《暗算》開播，陳數在劇中飾演美貌與智慧并重的天才數學家“黃依依”，并憑借這一角色獲得了改革開放三十年來“十大經典電視劇人物獎”。
2007年1月25日，與黃曉明、孫儷、黃海波共同主演的民國情仇劇《新上海灘》播出，陳數飾演風情萬種、善良多情卻又孤獨彷徨的交際花“方艷蕓” [19]? ；4月11日，與李強、韓青、寧曉志聯合主演的懸疑劇《食人魚事件》播出，陳數在劇中飾演肩負重任的偵察科長“沈鷗”；4月12日，陳數在“2007福布斯中國名人頒獎典禮”上獲得了“最具潛力名人獎”。
2008年4月13日，與吳秀波、浦蒲、孫淳一同主演的都市情感劇《相思樹》首播，陳數出演因不安于現狀而出軌的電臺女主播“尚潔”；5月，領銜主演的話劇《日出》在國家大劇院首演，陳數飾演追求奢華的物質生活，卻又在精神上厭惡這種生活的交際花“陳白露”；12月22日，陳數在BQ2008紅人榜頒獎典禮上憑借話劇《日出》獲得了年度藝術紅人獎。
2009年3月14日，與黃覺、王學兵領銜主演的民國愛情劇《傾城之戀》播出，陳數飾演感情之路坎坷的白家六小姐“白流蘇” ，憑借這一角色獲得了第四屆韓國首爾電視節最佳女演員獎提名，第4屆華鼎獎中國愛情題材類最佳女演員獎 ；9月16日，歷史電影《建國大業》首映，陳數在片中客串婦女代表一角 [24]? ；12月10日，領銜主演的話劇《簡·愛》首演。
2010年4月16日，陳數與巍子、楊志剛聯袂出演的傳奇劇《鐵梨花》開播，她在劇中飾演聰明大氣的傳奇女子“鐵梨花”，并憑借該角色獲得了第17屆上海電視節白玉蘭獎電視類最佳女演員獎、第26屆中國電視金鷹獎觀眾喜愛的電視劇女演員獎以及第6屆華鼎獎電視劇最佳女主角獎；11月1日，與黃海波、楊志剛、巍子共同主演的抗戰劇《將·軍》播出，陳數飾演有情有意的粵調名伶“沈紅玉”。
2011年2月2日，陳數登上2011年央視兔年春晚，與黃宏、孫濤、張凱麗合作表演了小品《“聰明”丈夫》，該節目獲得了我最喜愛的春節聯歡晚會節目評選活動小品類二等獎；3月18日，簽約SMG尚世影業；8月，陳數參加中國電視藝術家協會演員工作委員會成立儀式，并被授予副會長頭銜 。
2012年2月23日，搭檔黃磊主演的都市情感劇《夫妻那些事》在湖南衛視播出，陳數在劇中飾演外表堅強但內心柔軟的建筑設計師“林君”；3月8日，與舒淇、余文樂、奚美娟聯合出演的愛情懸疑電影《情謎》上映，陳數在片中飾演年輕性感的舞臺劇演員“Amy”；3月10日，與陳寶國領銜主演的抗戰劇《正者無敵》首播，陳數在劇中飾演川軍師長馮天魁美貌智慧、風情萬種的的二姨太“沈虹”，由此獲得了第19屆上海電視節白玉蘭獎連續劇類最佳女演員提名 ；6月，陳數出任第18屆上海電視節白玉蘭獎評委。
2013年1月1日，與林永健領銜主演的都市情感喜劇《天真遇到現實》首播，陳數在劇中飾演樂觀、天真的單身媽媽“楊天真”；1月14日，在新浪2012微博之夜慶典中，陳數獲得了微博年度風雅人物獎；3月31日，陳數獲得了2012中國電視劇年度明星盛典“年度十佳女演員獎”；11月25日，參演的環保公益短片《地球來信了》上映。
2014年1月1日，與孫紅雷、巍子共同主演的年代傳奇劇《一代梟雄》開播，陳數飾演氣質如蘭的留洋歸國女教師“程立雪”；4月4日，搭檔黃磊主演的都市情感劇《我愛男閨蜜》首播，陳數在劇中扮演獨立堅
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