1996年，颜丹晨考进北京电影学院表演系。与黄晓明、赵薇、陈坤、郭晓东、何琳为同班同学。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，颜丹晨凭借该片夺得第十二届“电影表演艺术学会奖”。
2009年，出演年代剧《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《密使2之江都谍影》，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。
2016年，参演电视剧《杨光的快乐生活之好好先生》。参演年代电视剧《浪花淘尽》。主演的青春励志电视剧《好想好想爱上你》播出。10月17日，参演《欢喜密探》上线播出。
2017年，主演电视剧《北方大地》播出。
2019年9月，凭借主演的电视剧《北方大地》获得第1届都匀电影电视节影视剧竞赛单元最佳女演员奖；9月30日，主演电影《我是护旗手》正式开机；10月25日，“触点未来·影动中国”首届中国网络电影周落幕，著名影视表演艺术家岳红、张凯丽、颜丹晨携手青年演员俞灏明、胡先煦、黄梦莹现身红毯，带来情景朗诵《光影记忆》。
2007年，颜丹晨出席CBA联赛全明星赛的慈善晚宴，共筹集到拍卖款额为39万6千元，全部转交给中国青少年发展基金会。
2007年，为推广“粉红丝带乳腺癌防治运动”，杂志《时尚健康》十月版再次启动了新一轮的推广活动，颜丹晨为“粉红丝带”的形象大使，她说：“我们每个人都以不同的方式帮助那些困难中的人们，慈善已成为了现代人社会责任的一种回归。”
2009年10月1日，首都国庆六十周年北京筹委会于十月一日晚在天安门广场举行以“礼赞祖国，讴歌时代，振奋民心”为主题的联欢晚会，颜丹晨作为中影集团代表与海霞、尹莉、王璐、姜涛一起在国庆文化成就彩车上参加国庆游行活动。
2013年，颜丹晨与“轮椅天使”女孩们在园博园内一起游园，颜丹晨帮轮椅女孩推轮椅，跟女孩们聊天。
2013年10月18日至25日，中国电影家协会民族电影工作委员会与台北少数民族两岸文经交流促进会在台北市联合举办了“大陆少数民族影展”活动。颜丹晨凭借着在电影《遥远的诺邓》中的表现，受邀担任此次赴台代表团的团长，率团赴台，与当地影迷进行交流。
2015年11月11日，颜丹晨以宣传大使的身份亮相粉红盛典健康慈善夜，并荣获2015公益明星奖，她不仅自己出资资助生活在贫困山区的小朋友，更呼吁社会大众也都能够关注到这些孩子们。
2016年8月，赴内蒙古，与张国强、萨日娜、刘纯燕等受邀出席由国家旅游局和中国少年儿童文化艺术基金会“美丽公约”组织发起的主题为“蓝丝带擦亮天路”文明旅游系列活动内蒙古站“美丽公约蓝丝带，与爱同行”公益活动。
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毕业于北京电影学院表演系的颜丹晨与赵薇、何琳被誉为北影三朵花；颜丹晨属于认真演戏、踏实做人的演员，出道多年既没有绯闻，又不靠炒作，凭借演技说话，靠自己多部影视作品让观众熟悉起来。
颜丹晨就如她的名字，似早上的红霞，有点清冷，有点温暖，充满温暖；她在多变的演艺圈中沉浮，却仍保有“玉女”气韵。颜丹晨的古装扮相十分美丽动人，她饰演的嫦娥有一种淡淡的凄美和哀怨，再加上清新气质和淡雅妆容，是最合适的嫦娥。
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