陳小藝出生在四川一個川劇演員家庭。父親陳培才河北贊皇人，是成都軍區戰旗話劇團副團長。受家庭影響，陳小藝從小學習川劇。1987年，考進中央戲劇學院表演系。從中戲畢業後，陳小藝進入北京人民藝術劇院。陳小藝丈夫劉惠寧的導演，1997年，陳小藝與劉惠寧在拍攝《老房子》時相識，1998年結婚。2000年生下兒子劉恆甫，小名鐵蛋。
1988，代表中央戲劇學院參加國際戲劇院校戲劇節，因《掛畫》獲獨角戲特別大獎。大四那年，她被選中擔任電視連續劇《外來妹》的女主角。1991年，主演電視劇《外來妹》播出，飾演從打工妹到民營企業帶頭人的“越小云”，該劇獲飛天獎一等獎，陳小藝獲飛天獎最佳女主角提名。1993年，參演電影《離婚》飾演馬少奶奶，獲得第十七屆百花獎最佳女配角獎。
2015年12月23日，作為嘉賓出席了第30屆中國電視劇飛天獎典禮。陳小藝與徐帆、蔣雯麗、李琳，並稱為國內熒屏的四大青衣，從《外來妹》一炮走紅後陳小藝一直星途坦蕩，無論是《軍歌嘹亮》、《母親》、《大姐》、還是《苦菜花》，陳小藝演盡了女人的酸甜苦辣。陳小藝不僅人長得漂亮，演技好；對劇組的工作人員非常有禮貌，一點架子也沒有，常常幫助別人。
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