陈夷行字周道，颍川人。祖父陈忠，父亲陈邑。陈夷行在宪宗元和七年(812)考中进士，多次被朝廷派往地方负责特殊事务的使臣府署召用。敬宗宝历末年(825)，陈夷行由侍御史改任虞部员外郎，都是在朝廷的东都分设机构任职。文宗太和三年(829)，入朝担任起居郎、史馆修撰，参预修撰《宪宗实录》。四年(830)进献《宪宗实录》，转任司封员外郎。太和五年(831)，陈夷行迁升吏部郎中。四月，被召任翰林学士。太和八年(834)，兼任皇太子侍读，奉诏：每五天进长生院一次，侍奉太子讲经。文宗召见他应对策问，当面赏赐给他绯衣、牙笏，迁升谏议大夫、知制诰，其他职务不变。太和九年(835)八月，改任太常少卿，知制诰、学士侍讲等职务不变。
文宗开成二年(837)四月，陈夷行以本官职位任同平章事。三年(838)，杨嗣复、李珏相继入朝辅政。陈夷行性情孤高，不随流俗，历来憎恶杨、李诸人的所作所为，每次在皇帝面前议政，他都在言语上冒犯杨嗣复，以至于来言去语相互冲突。陈夷行不能忍受，上表皇帝，称说因脚有病，请求辞位；文宗不准许，下诏宫中使者前去他家慰劳。七月，朝廷委任王彦威为忠武节度使，史孝章为..宁节度使，都是由杨嗣复一手筹划的。在延英殿应答策问时，文宗趁便问陈夷行说：“日前委任的两个方镇，恰当吗？”杨嗣复说：“如果说出自皇上的心意就恰当，当然人心都满意。如果说这件事有办得失当的地方，臣下们怎么会没有意见？”文宗说：“确实是这样，我本来没有偏私之心。”陈夷行说：“近三年来，奸臣窃取权柄；陛下不可倒持太阿宝剑，授人以柄。”杨嗣复说：“齐桓公从仇虏中起用管仲，难道有倒持太阿、授人以柄的忧虑吗？”文宗对陈夷行的话感到不高兴。
仙韶院乐官尉迟璋被授予王府率这一主领门卫士卒、役夫的职务，右拾遗窦洵直在官署内评论说：“艺人自有他本业的官职，不应当授予清贵的官职。”郑覃说：“这样的小事，哪里值得拿到朝廷官署来论列一番！王府率是六品杂官，说这是清贵官职，给你窦洵直你满足吗？这是追求名誉。”杨嗣复说：“曾经听人说窦洵直有点昏昧古怪，今天在衙署评论一个乐官，昏昧则有之，倒也不足为怪。”陈夷行说：“谏官在衙署，只该评论宰相得失，不该论乐官。但是已经评论，须给予处置。今后乐工每七、八年给他转一个官职，如果不这样的话，就加上役作小吏每次考核数个人。”文宗说：“另外给他一个官职。”于是委派尉迟璋任光州长史，赐给窦洵直绢一百匹。不久，陈夷行转为担任门下侍郎。
文宗在紫宸殿召集宰辅大臣议论政事，趁便说道：“天宝年间的施政状况，确实不很好。这时候姚崇、宋王景还在吗？”李珏说：“姚崇已经去世而宋王景被免了职。”接着，李珏又说：“人君英明圣哲，始终如一极难。玄宗曾说：‘自从即位以来，我从未错杀一个无罪的人。’可是任用的李林甫陷害毁灭别人的全家、诛除一族，不也昏惑迷乱了吗？”陈夷行说：“陛下不可将自己的权柄移交他人。”杨嗣复说：“陈夷行的话说起来简单，实行却很难；况且太宗重用房玄龄十六年、魏征十五年，又何曾违背道义呢？臣认为信用房玄龄、魏征多年不能叫不合道理，但是滥用邪辟奸佞之人一天，就足以说是违背道义了。”陈夷行所说的话，全都是说杨嗣复擅自专断独揽大权。
文宗任用郭鑅为坊州刺史，右拾遗宋元阝上奏论评，认为不合适。不久之后，郭鑅因贪赃获罪，文帝对宰相们说：“宋元阝奏论政事值得嘉奖，他被授予现任官职是什么时间？”杨嗣复说：“去年。”接着又说：“谏官议事，陛下只须记下他的姓名，随即给予优待奖励。如果他论事不恰当，也应该让他明白。”陈夷行说：“谏官奏论政事，是他本身的职责。如若每奏论一件事就加授一个官职，那么官位究竟该从哪里获得？其中不免有私情。”文宗说：“私情实在难以避免，太平盛世时期，也不可避免。”文宗终于认为陈夷行发表议论太过分，对待他的礼遇渐渐淡薄。不久免除他掌管朝政的职权，让他代理吏部尚书。
开成四年(839)四月，陈夷行任检校礼部尚书，调出朝廷担任华州刺史。次年(840)，武宗即位，李德裕执掌朝政。七月，陈夷行由华州被召入朝，再任中书侍郎、平章事。会昌三年(843)十一月，任检校司空、平章事、河中尹、河中晋绛节度使。去世后，封赠为司徒。