陈登是在《三国演义》第十一回出场的。曹操攻打徐州，徐州太守陶谦派糜竺、陈登分别去北海和青州请孔融、田楷救援。此后陈登逐步崭露头角，成为影响徐州命运的关键性人物。在陶谦三让徐州过程中，陈登曾劝刘备接受。刘备入主徐州后，使陈登为幕官。刘备出征袁术时，安排陈登辅助张飞守徐州，可惜张飞不听陈登的劝阻，徐州被吕布所夺，陈登也被吕布留用，从此陈登开始在暗里破坏吕布的行动。先是其父陈珪识破袁术“疏不间亲”之计，阻止了袁术与吕布结亲，救了刘备。其后吕布派陈登去许都拜见曹操时，陈登借此机会正式成为曹操的间谍。
陈登密谏操曰：“吕布，豺狼也，勇而无谋，轻于去就，宜早图之。”操曰：“吾素知吕布狼子野心，诚难久养。非公父子莫能究其情，公当与吾谋之。”登曰：“丞相若有举动，某当为内应。”操喜，表赠陈珪秩中二千石，登为广陵太守。登辞回，操执登手曰：“东方之事，便以相付。”登点头允诺。
（《三国演义》第十六回）
在曹操攻打吕布时，吕布令陈珪守徐州，自己与陈登救小沛。为减弱徐州防守力量，陈登以钱粮安全为由向吕布献计，让吕布分兵，安排部将宋宪、魏续保护吕布的妻小与钱粮移屯下邳。随后又将吕布的动态和自己的计谋告知曹军，并两面说词挑动吕布和陈宫在黑夜出兵，结果吕、陈皆以对方为曹军而相互掩杀，使得曹操趁机轻而易举地袭取了徐州和小沛，并将吕布围困在下邳。因此，陈登可谓剿灭吕布的最大功臣，曹操授其为伏波将军。
曹操得徐州后，安排部将车胄把守，携刘备回许昌。刘备以截击袁术为由脱身，返回了徐州。曹操密令车胄杀刘备，车胄与陈登商议计谋。不料陈登又告知关羽，使关羽杀了车胄，刘备遂复得徐州。为提防曹操攻打刘备，陈登还向刘备献计找郑玄作书让袁绍出兵进攻曹操。但在曹操再次进兵徐州、刘备战败投奔袁绍后，陈登又向曹操献了徐州。此后，小说对陈登再无交代。
从小说描写来看，陈登在刘吕之间选择了刘，在曹吕之间选择了曹，在曹刘之间先是帮刘，在刘备失势后又选择了曹。其表现俨然似双面间谍，变化转换之快，令人费解。
参考《三国志》卷七陈登的传记，记载有其平吕布的功劳以及刘备对其的赞赏：
陈登者，字元龙，在广陵有威名。又掎角吕布有功，加伏波将军，年三十九卒……备因言曰：“若元龙文武胆志，当求之于古耳，造次难得比也。”
同卷，在裴松之的补录中，又提到：
登……奉使到许，太祖以登为广陵太守，令阴合众以图吕布……太祖到下邳，登率郡兵为军先驱。时登诸弟在下邳城中，布乃质执登三弟，欲求和同。登执意不挠，进围日急……布既伏诛，登以功加拜伏波将军，甚得江、淮间欢心，于是有吞灭江南之志。孙策遣军攻登于匡琦城……贼望火惊溃，登勒兵追奔，斩首万级。迁登为东城太守。
从资料可知，陈登只是曹操一方的内应，并不曾为刘备而背叛过曹操。在曹操征吕布时，其曾率广陵郡兵作为先驱攻打吕布。面对吕布挟持自己的亲人，毫不退让。此后，还成功阻击了孙策部队的进攻。小说将陈登描写为在曹刘之间偏向于刘的人物，是因为小说的基调所致：刘备为正统，汉的继承；而曹操则为异端，乃汉贼也。
