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2000年，陈天星参与拍摄根据金庸同名小说改编的古装武侠剧《侠客行》，在剧做武打替身。2001年，陈天星拍摄第一部自导自演动作电影《功夫骄子》。2002年，陈天星与潘耀武、范艳等联袂主演由陈永歌执导的民国武侠片《英雄无界》。
2004年，陈天星自导自演首部电影《恐惧深寒》。2005年，陈天星与刘蓓、魏骏杰、宋运成共同出演由舒崇福执导的红色革命电视剧《红色记忆》。2006年，陈天星与贺丹丹、张德高联袂主演动作电影《李小龙外传》。
2007年，陈天星与庞祖云、张德高、曾引联袂主演家庭剧情片《追星家庭》。同年，又与庞祖云、张德高、鹿庆龙联袂出演由陈春雷执导的恐怖惊悚片《惊悚情人节》。随后，陈天星与赵惠、张德高、鹿庆龙合作主演动作片《陈真新传》。2008年，陈天星与景甜、刘家辉、叶竞生共同出演由山西电影制片厂拍摄的动作恐怖电影《狂蟒惊魂》。
2010年，陈天星与梁小龙、刘梓妍、林威联袂主演由北京天星兄弟影视文化公司和山西电影制片厂联合出品的爱情动作片《截拳道》。随后，陈天星与陶建萍、张德高、沈敬东等共同出演由天星影视艺术学院和泸州电视台联合摄制的警示系列剧《疯狂的骗术》。同年，陈天星与胡艺川做客上海电视台商务智性脱口秀节目《谁来一起午餐》。两师徒同在一档节目，切磋导演思想、演技和艺术才能。两人的表演出众，赢得现场观众和嘉宾评委的好评。随后，陈天星携妻子万霞做客由英达主持的北京电视台节目《非常夫妻》。2011年，陈天星自导自演功夫电影《双截棍》。该片获得第五届科隆国际电影节组委会大奖。同年，陈天星出演中国首部公众演说微电影《一语定乾坤》。
2012年，陈天星与午马、洪天照联合主演由蒋国权执导的喜剧电影《藏宝图的秘密》。2013年，陈天星与柳海龙、王琳娜、林威等联袂主演动作片《功夫战斗机》。该片获得美国好莱坞国际电影节最佳动作设计奖和韩国光州国际电影节动作艺术成就奖，并凭借此片入围第4届北京国际电影节国内展映单元中国故事。
2014年，陈天星与崔磊联合执导时尚动作电影《终极硬汉》，该片集合了法国、加拿大、澳大利亚、越南、俄罗斯等15个国家的动作演员加盟。同年，由陈天星监制的公益微电影《奇迹宝宝》上映。2015年1月，陈天星与江若琳、贾盛强、罗蓝山等联袂主演由胡艺川执导的文艺电影《乡关何处》，剧中饰演才华横溢不善言辞的导演李朝阳。7月，陈天星担任由智合文化传媒（北京）有限公司筹拍的微电影《北京东-燕郊》的顾问。7月18日，陈天星参与出演的中国首部公众演说微电影《一语定乾坤》首映。8月，陈天星与徐少强、陈虎、苑琼丹联袂主演动作片《流金》，在片中陈天星首次饰演反派角色，他将和陈虎真功夫对战，上演拳拳到肉的实战肉搏。
2016年4月，担任网络诙谐剧《翻滚吧，咸鱼》的艺术总监。5月，陈天星担任由周凯文、李妍、刘永奇主演的古装爱情片《潘金莲之莲香·西欲》的监制。2017年，陈天星主演由胡艺川执导的艺术电影《德皮》，陈天星凭借该片获得2018戛纳金蝶兰奖最佳男演员。11月，陈天星主演由马来西亚摩罗影业投资出品的功夫喜剧电影《致富计划》。
2018年7月，陈天星主演由胡艺川执导的公路电影《远方的风》。9月，陈天星凭借艺术电影《德皮》再次获得第三届加拿大金枫叶国际电影节最佳男演员。
2007年10月1日，陈天星与交往六年的女友万霞结婚，并育有一子。
2012年，四川省泸州受洪灾，在陈天星和导演蒋国权的号召下，剧组主演班底和工作人员举行爱心捐款，向泸州红十字会捐出了一笔爱心捐款。