陳霖於1970年畢業於中國科學技術大學，此後留校任教。1980年前往美國加州大學任訪問學者。1985年成為教授。1988年起擔任中國科學院研究生院教授。此後又赴德國雷根斯堡大學、慕尼黑大學任訪問學者。2002年出任國家大型科學儀器中心北京磁共振腦成像中心主任。2003年當選中國科學院生物學部院士，成為著名心理學家潘菽逝世15年之後的中科院首位心理學院士。2005年起任中國科學院生物物理研究所腦與認知科學國家重點實驗室主任。2008年當選國際認知科學聯合會主席。
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