2007年，周元以音乐剧《Altar Boyz》正式出道。2010年，签约SIM. Entertainment（SIM）成为旗下艺人，同公司艺人有姜至奂、刘海镇、金允石、林智妍。6月，主演KBS电视剧《麵包王金卓求》，饰演反派人物具马俊。此剧在韩国创下最高50.8%的收视率，成为近3年来首次突破50%收视率的电视剧。

2011年8月，主演KBS2的周末剧《鹊桥兄弟们》，这是一部搞笑有趣的家庭剧，在大结局时创下了自身最高收视率36.3%。周元凭藉黄泰熙一角，获得2011年KBS演技大赏新人奖和百想艺术大赏电视部门新人男演员奖。11月，与严泰雄主演的电影《特殊搜查本部》上映，该片讲述重案组的热血警员成凡（严泰雄饰）接手调查残忍杀害同僚的案件，他与警察厅组成了特殊搜查本部，并且与FBI出身的犯罪分析科浩龙（周元饰）联手，与总是先一步离开犯罪现场的嫌疑人展开殊死对决。电影在25日至27日上映期间总计吸引了34万6875名观众，夺得了韩国11月最后一个周末票房榜冠军。

2012年5月，出演KBS水木剧《新娘面具》，饰演男主角李江土，上演娴熟的演技和紧张激烈的打斗戏，并通过凌厉的眼神和坚毅的表情，吸引了观众。该剧改编自韩国画家徐英万在1974年发表的同名漫画书的作品，讲述了选择当无名英雄的李江土（周元饰）、可以让他为之出生入死的女人牡丹（陈世妍饰）、在爱情与友情间不断纠结的木村俊二（朴基雄饰），以及坚若泰山的哥哥江山（申贤俊饰）之间上演的爱恨情仇。《新娘面具》大结局收视率高达22.9%，周元凭藉该剧获得2012年KBS演技大赏人气奖和长篇优秀男演员奖。同年周元担当韩国娱乐节目《两天一夜第二季》的MC，获得2012年KBS演艺大赏娱乐男子部门新人奖。

2013年1月，周元搭档崔江熙出演MBC水木剧《七级公务员》，饰演可爱骄傲痴情的韩吉路。周元在《七级公务员》结束后，马上进入电影《Catch Me》的拍摄，《Catch Me》是周元2011年以《特搜本部》在大银幕电影出道之后首次担当主演的电影作品。8月，周元与文彩元一同出演KBS月火剧《good doctor》，在剧中扮演拥有学者综合症的自闭青年朴施温。该剧以最高21.5%的收视率收官，周元凭藉该剧获得KBS演技大赏三大电视台PD选择演技者奖、男子最优秀演技奖、网路人气奖、情侣奖和第26届韩国PD大奖演员奖。11月，周元选择音乐剧《GHOST》回归时隔4年的音乐剧舞台。该音乐剧改编自1990年由派屈克・斯威兹、黛米・摩尔两人联袂主演的人气影片《GHOST》。周元饰演山姆・维特，公演从2013年11月24日持续到2014年6月29日。

2014年10月，KBS电视剧《明日如歌》开播，周元在剧中饰演外貌、才能兼备，却患有高空恐惧症的完美音乐才子车宥镇。该剧讲述了车宥镇与沈恩京饰演的天才钢琴少女薛明日通过音乐相识相爱，最终互相治癒、一起成长的故事。11月6日，与崔雪莉、安宰贤主演的爱情喜剧电影《时尚王》上映。《时尚王》改编自同名人气漫画 ，讲述了一名平凡的好学生虞启明（周元饰）为了追求喜欢的女生郭恩珍（崔雪莉饰）而决心成为时尚王的故事。

2015年7月3日，与郑允浩、“国乐少女”宋素姬出席在韩国光州举办的世界大学生夏季运动会开幕式，压轴表演传统国乐音乐剧，周元的主题是“今日的青春”。8月5日，SBS水木剧《龙八夷》播出，周元饰演一位实力超群的外科医生金泰贤。该剧主要讲述了不问场所和患者，只要给钱就会出诊的顶尖外科医生和在医院陷入昏迷的女继承者之间发生的独特浪漫故事 ，被称为2015年“收视最逆天”的强力之作。周元凭藉该剧获得2015年“SBS演技大赏”的中国网民投票人气奖、十大明星奖、最佳荧幕情侣奖和大赏。10月28日，周元携手刘海镇、李宥英主演的电影《就是那个家伙》上映，该片不仅占据了当天预售率榜单首位，而且以456185观影人次获得当周票房冠军。《就是那个家伙》讲述在1999年釜山的一个小村庄里，女学生被害身亡，她的哥哥为了追查真兇孤军奋战，最后不得不藉助巫术的力量，是一部悬疑片。周元饰演平凡的渔村青年张宇，在片中变身粗糙汉子，他为此增重8公斤、剪短头髮，同时还挑战庆尚道方言演技。11月，周元搭档邓家佳拍摄首部中国电视剧《爱情也包邮》，饰演快乐风趣的阳光快递员晨曦。

2016年3月，首尔地方警察厅公布了的第340批义务警察选拔考试合格名单，周元登上了艺能特长兵(警察宣传团)的最终合格名单，将作为艺能特长兵履行国防义务，但入伍时间未定。6月13日，韩国济州岛委任周元担任济州岛柑橘宣传大使及第14届济州柑橘国际马拉松大会宣传大使。8月5日，出演的首部中国电影《夏有乔木雅望天堂》上映，该片由韩国导演赵真奎执导，周元在片中饰演霸道总裁曲蔚然。10月，主演新概念科幻动作片《特勤》，饰演具有“捉妖天师”之称的新晋特殊要员徐基雄。2017年5月，主演SBS青春历史剧《我的野蛮女友》，饰演汉阳第一才子牵牛。5月16日，主动放弃义务警察服役资格，以现役入伍。

2017年1月18日，周元所属经纪公司相关人员向媒体表示周元和歌手宝儿正在交往中。两人因对演技和音乐的共同关心从而互生好感，并发展成为恋人关係。11月13日，周元与宝儿结束恋人关係，回归演艺圈同僚。

如果说在《麵包王金卓求》中，周元的演技还显得稚嫩，但通过接连出演的这几部作品，他的演技正在以惊人的速度快速提高。在30多岁男演员发挥魅力的当下，周元快速吸收着不同的演技方式，并以符合自身形象的力度释放着独有的魅力，随着时间的积累，必将能看到更为惊人的变化。周元在圈中是出了名的礼貌男，即使出演了多部收视高的作品，他也并没有改变待人处事的态度，在他的人生字典中，懂礼貌是最为重要的事情。虚心接受他人给予的意见，尤其是在前辈面前，这也使得周元获得了极高的口碑。（新浪娱乐评）他拍戏期间很照顾我，令我很难忘，我今后拍戏的话也要这样对待其他演员。（UEE评）

周元在演技上接受的挑战，远不止《龙八夷》中身世坎坷的医生，在《Good Doctor》里，他演的是患有学者综合徵的自闭青年；在《新娘面具》里，他饰演忍辱负重的救国英雄；在《鹊桥兄弟们》里，他演一个固执的“疯子警察”，对这些难度不小的角色，周元几乎都是零差评。（新华娱乐评）

凭藉《龙八夷》人气演技均火爆的周元，成功摘下韩国SBS演技大奖最高奖项。台上，他回忆点滴忍不住落泪：“拍《龙八夷》时一周连续通宵是常事，拍摄现场还要打吊瓶，真有新闻说‘周元究竟是医生还是患者，那样艰苦的环境下我还能坚持下来，全靠现场所有工作人员和其他演员。”《龙八夷》堪称去年韩国最火的迷你电视剧，这与周元投入的演技密不可分。周元以细腻而有爆发力的演技刻画出了主人公的开心、伤痛、坚定、绝望，让角色变得更加丰满动人。（文汇报评）

虽然最初剧本中对男主角“晨曦”这个角色的人物设定要更偏年轻一点，但是周元成熟细腻的演技不但为角色“增加了几分贵气”，随着剧情发展更是“为爱火力全开”、“男友力”爆棚，为剧组带来了不小的惊喜。而作为对演员演技有颇高要求的製片方来说，周元正是他们“心目中演技最好的韩国男星”。（导演张博昱评）

在练习中看了他的很多变现，甚至想过要把他带到指挥科。他的实力跟专业课学生差不多。在这幺短的时间，可以做到这个程度，真的进步很多。（负责周元指挥练习的指挥家李钟镇评）