2011年2月，與千正明、韓智慧聯袂主演歷史劇《夥伴》；8月與韓高恩、吳世貞共同出演電視劇《Bilitis俱樂部的女兒們》；同年憑藉《我的女兒是花兒》獲得2011年SBS演技大賞女新人獎。

2012年，主演KBS電視台出品的水木劇《新娘面具》，憑藉劇中飾演的變臉術士吳牡丹一角獲得2012年KBS演技大賞女新人獎；同年主演SBS周末劇《五根手指》，飾演天才感性的鋼琴演奏者洪多美。 

2013年8月31日-2013年12月1日，陳世妍出演了話劇《Closer》，飾演愛麗絲一角。

2014年1月，主演KBS水木劇《感激時代》，飾演申正泰的戀人金玉蓮；5月，與李鍾碩、姜素拉、朴海鎮共同主演SBS月火劇《Doctor異鄉人》，劇中陳世妍首次嘗試一人分飾二角，既要飾演主人公朴勛的初戀宋在熙，又要飾演韓國醫麻醉領域專家韓勝熙；9月陳世妍參與拍攝浪漫喜劇電影《警察家族》，飾演可愛開朗的女主角朴英熙；11月15日憑藉電視劇《doctor異鄉人》獲得第3屆大田電視劇節女子人氣賞。