1996年，颜丹晨考进北京电影学院表演系。1997年参演周有朝的电影《
背起爸爸上学》，饰演姐姐，她在甘肃的原型人物的老家住了半个月，这是颜丹晨的第一部电影。此片荣获首届北京市“文化艺术奖”、第五届“飞虎杯大学生电影节”的“评委会特别奖”、第29界瑞士吉福尼国际电影节“铜神鹰奖”、“第六届中国国际儿童电影节”的“优秀影片奖”，颜丹晨本人夺得儿童电影“童牛奖”最佳成人演员奖；同年，颜丹晨参演电影《花季・雨季》，凭借在片中的表现，夺得了当年的华表奖最佳新人奖。
2001年，在《大唐情史》里饰演杨妃。2002年参演偶像剧《对门对面》饰演王虹。2004年，与刘晓庆、姜文合作古装剧《长河东流》，饰演陈圆圆。2005年，参演《精卫填海》饰演素女；参演的35集新编古装神话剧《
宝莲灯》在中国中央电视台电视剧频道播出，颜丹晨饰演嫦娥，该剧平均收视达到5.4%，最高收视9.1%，名列当年央视8套的电视剧收视冠军，荣获第十一届亚洲电视大奖“最佳电视剧奖等”。
2006年，颜丹晨参演《
范府大院》饰演念春；主演的青年励志剧《别问我是谁》，饰演从小失去父亲、积极把握自己人生的“李楠”；参演《
女子戏班》，首次体验越剧人生。2007年，颜丹晨拍摄假日剧《
丁家有女喜洋洋》，在该剧中扮演大姐画家丁言，与杨恭如、黄圣依扮演的二女儿、三女儿组成丁家三姐妹。
2008年，参演以反应大理白族群众保护传统文化为主题的民族电影《
遥远的诺邓》，颜丹晨在影片中饰演了一个学习美术，并到了邓诺深山支教的白族姑娘樱子。后来樱子渐渐被邓诺吸引，并为这里的文化而折服，最终利用自己的特长保护了诺邓古学堂。颜丹晨以朴实的形象出演了樱子这一形象，凭借电影《遥远的诺邓》夺得第十二届“电影表演艺术学会奖”。
2009年，出演年代剧《特战风云》（原名《女人树》），饰演女一号乔小燕，剧中
颜丹晨演绎的女主角从少女跨度到两鬓斑白的老人。参演海顿执导的都市现代剧《
真相》，饰演一位遭遇家庭“冷暴力”的建筑设计师林洁。
2010年，参演央视反特题材电视剧《
还看今朝》。2011年，参演王静茹编剧、王小康导演的电视剧《
闪婚》，她首次出演家庭情感伦理剧、饰演一个充当“第三者”的反面角色颜敏。
2012年，拍摄都市情感剧《
陪你到老》，和郭晓冬搭档饰演一对小夫妻。参演电视《不曾逝去的岁月》，饰演女特工陈如；参演抗战剧《
独狼》出演女一号唐婕淑，一位潜伏在敌人内部的卧底。
2013年，参演反映常德保卫战的抗战史诗剧《
勇士之城》，颜丹晨饰演一位巾帼勇士。与印小天合作主演农村妇女励志剧《油菜花香》，出演外表柔弱、内心坚强，一生坎坷，却自强不息的农村女性周英。
