2020 dan seterusnya: Meningkatnya popularitas
Chen Zheyuan menjadi dikenal oleh penonton setelah membintangi drama wuxia Handsome Siblings pada tahun 2020, berdasarkan novel Juedai Shuangjiao oleh Gu Long.[13] Dia dipuji karena perannya sebagai protagonis, Xiao Yu'er ("Ikan Kecil").[14] Dia juga membintangi drama kostum Renascence dan drama kejahatan misteri Detective Chinatown pada tahun yang sama. Chen juga berperan dalam drama sejarah The Golden Hairpin bersama Yang Zi dan Winner Is King yang diadaptasi dari novel Sha Po Lang oleh Priest bersama Tan Jianci, memainkan peran pendukung Yu Xuan dan pemeran utama pria Chang Geng..[15]
Pada tahun 2021, Chen Zheyuan berperan sebagai protagonis pria Zhou Siyue dalam drama kampus remaja Mango TV Our Secret, bersama Xu Mengjie.[16][17] Ia juga membintangi serial fantasi romantis tahun 2022 Mr. Bad, bersama Shen Yue, yang keduanya membuatnya semakin dikenal.[18][19]
Chen Zheyuan melejit ke dunia internasional pada tahun 2023 setelah membintangi serial populer adaptasi novel Hidden Love karya Zhu Yi bersama Zhao Lusi. Drama ini ditayangkan oleh Netflix di 190 negara. Visualnya yang memukau dan aktingnya yang brilian sebagai Duan Jiaxu menuai pujian dari seluruh dunia.
Pada tahun 2024, iQIYI merilis Sword and Fairy 4 secara eksklusif di platform streaming video mereka. Chen Zheyuan berperan sebagai protagonis Yun Tuanhe bersama Ju Jingyi. Serial ini diadaptasi dari waralaba gim video populer, dan telah ditonton 800 juta kali dalam 6 bulan pertama penayangan web. Di akhir tahun yang sama, drama terbarunya, Dark Night and Dawn, juga tayang perdana secara eksklusif di iQIYI dan CCTV-8, mencapai rating TV tertinggi sebesar 3,6397%, dengan pendapatan kumulatif sebesar 1,249 miliar penayangan di semua platform selama penayangan. Total penayangan dalam satu hari juga melampaui 100 juta, mengukuhkan performa yang kuat.
Pada tahun 2025, Chen Zheyuan berperan sebagai protagonis Li Zan, seorang prajurit unit bom yang dikirim ke negara Timur yang dilanda perang dalam dalam The White Olive Tree yang tayang pada Februari 2025. Ia juga beradu akting dengan Li Qin dalam drama kostum iQIYI Fated Hearts, yang ditayangkan pada tanggal 2 Oktober 2025.
