周冬雨出生于石家庄市的一个普通家庭，儿时曾练习体操，12岁时还进入了石家庄市体操队。

2010年，周冬雨由于拍摄电影《山楂树之恋》没有参加当年的高考。2011年，她受张艺谋导演的推荐，报考了北京电影学院表演系，最终也凭藉个人努力如愿考上了北京电影学院表演系本科班。

2010年初，还在上高三的周冬雨参加了爱情片《山楂树之恋》徵选女主角活动，随后被张艺谋发掘，确定出演女主角静秋；9月16日，该片上映后获得1.6亿人民币的票房，刷新国内文艺片票房纪录，周冬雨因在片中饰演的善良坚强、努力上进中的静秋而步入影坛，并凭藉在此片中的表现获得第20届上海影评人奖最佳新人奖、第23届哈尔滨冰雪电影节最具商业价值新人奖、华鼎电影盛典年度电影新锐演员、第14届中国电影华表奖优秀新人女演员奖及第56届西班牙巴利亚多利德国际电影节最佳女演员奖，还入围亚洲电影大奖最佳新人演员奖。

2011年2月2日，周冬雨首登央视春晚的舞台，与窦骁演唱歌曲《回家过年》和《小草》，其中开场歌舞《回家过年》在央视官网“我最喜爱的春晚节目”歌舞类中稳居榜首；6月10日，主演的历史题材片《湘江北去》上映，她在片中饰演毛泽东的第一任妻子革命先烈杨开慧；12月22日，主演了由香港导演黄真真执导的爱情电影《倾城之泪》，她在片中饰演罹患骨癌的美丽少女给力妹。

2013年8月13日，由其主演的古装爱情电影《宫锁沉香》上映，周冬雨凭藉在片中饰演善良单纯的十三福晋兆佳沉香获得第八届BQ红人榜年度突破演员及第四届乐视盛典年度电影最受欢迎女演员。

2014年4月25日，由其主演的青春爱情电影《同桌的你》公映，她在片中挑战17岁的年龄跨度，饰演文静秀气的转校生周小栀，该片最终内地收穫4.56亿票房成绩，而周冬雨不但成为首个主演单片票房过4亿的90后女星，更是凭藉在片中的表现获得第15届华语电影传媒大奖年度最受瞩目女演员奖；9月30日，主演由宁浩执导的暴走喜剧电影《心花路放》上映，她首次突破清纯形象挑战杀马特，出演内心善良单纯的髮廊妹周丽娟，该片最终以11.67亿的票房成绩收官。

2015年1月16日，主演的侦探动作悬疑电影《暴走神探》上映，她在片中饰演身世贫苦但内心坚强的盲女慧兰；4月，年代传奇剧《魔都风云》在上海车墩开机，周冬雨在剧中友情饰演果决霸道的萧瑶；5月，为3D动画电影《哆啦a梦：伴我同行》中的成年静香进行中文配音；6月19日，在校园青春电影《少年班》中饰演孤僻但极端聪明的少女周兰；10月30日，以形象大使的身份在韩国首尔出席中国电影节开幕式。

2016年1月7日，周冬雨获得微博之夜年度盛典年度电影新力量女演员；2月8日，由周冬雨为影片中的女一号兔子沙果配音的合家欢动画电影《年兽大作战》上映；2月14日，由其主演的爱情电影《奔爱》上映，她在片中首度挑战百合恋，饰演潇洒不羁的白茄子；3月20日，参加明星恋爱真人秀节目《我们相爱吧第二季》；4月15日，由其主演的犯罪悬疑动作电影《冰河追兇》上映，她在片中饰演内心叛逆不善表达的周欣怡；8月9日，其在爱情电影《谎言西西里》中饰演开朗的元气少女小悠，并凭藉该片中的表现获得第8届澳门国际电影节最佳女主角；9月5日，主演的谍战剧《麻雀》播出，她在剧中饰演特工机关卧底徐碧城，该剧播出后大结局以收视2.486的收视率刷新年度电视剧单日纪录，而网路总播放量更是突破110亿，刷新谍战剧纪录；9月14日，其主演的青春爱情电影《七月与安生》上映，她在片中饰演放浪不羁且自我的李安生，该片上映后中国内地票房超1.62亿，周冬雨凭藉其获得第53届台湾电影金马奖最佳女主角、第23届香港电影评论学会最佳女演员及金砖国家电影节最佳男女主角，同时还提名第36届香港电影金像奖最佳女主角、第31届中国电影金鸡奖最佳女主角、第34届大众电影百花奖最佳女主角、第1届马来西亚国际电影节最佳女演员和第八届中国电影导演协会年度女演员，而她也成为首位90后金马奖影后；还与其他三位女演员获得了由南都娱乐周刊集结173万网友以及110位专业媒体人通过网路票选评选出的“90后四小花旦”；12月17日，出席南方人物周刊中国魅力人物颁奖典礼并获得年度中国魅力人物的奖项；12月31日，成为CCTV6佳片有约形象推广大使，并出席“CCTV62017中国黄金·电影之夜"。

2017年1月4日，其主演的都市青春励志偶像剧《遇见爱情的利先生》首播，周冬雨在剧中饰演阳光坚强的刘欣桐；1月10日，获得“今日头条年度娱乐盛典”年度最具爆发力女明星奖项；1月16日，获得微博之夜年度盛典年度最美表演和年度最受关注演员两个奖项；随后，与张孝全合作主演的爱情喜剧片《指甲刀人魔》上映，她在片中饰演以指甲刀为食的特殊人类嘉怡；4月27日，主演由陈可辛监製的爱情电影《喜欢你》全国公映，而周冬雨则在该片中饰演创意厨师顾胜男，该电影中国内地票房超2亿，并凭藉该电影获得第9届中国电影导演协会年度女演员奖和获得第14届广州大学生电影节最受大学生欢迎的女演员，同时还提名第12届亚洲电影大奖最佳女主角奖。6月10日，以补位歌手的身份加盟明星跨界音乐真人秀节目《跨界歌王第二季》。6月18日，获得第二届微博电影之夜Queen。7月20日，凭藉金马影后入围福布斯中国公布的年度中国30位30岁以下精英榜单。7月21日，其领衔主演的都市情感剧《春风十里，不如你》在优酷首播，同时该剧也于8月28日晚登录山东卫视精英剧场卫视首播。周冬雨在剧中饰演随遇而安又天性自由的小红，并与张一山合唱片头曲《如果我爱你》。7月22日，以合伙人的身份加盟湖南卫视青春合伙人经营体验节目《中餐厅》，并演唱主题曲《中餐厅》特别版。10月5日，主演由《钢的琴》导演张猛执导的文艺全胶片电影《阳台上》。10月22日，进组拍摄刘若英导演处女作电影《后来的我们》，片中出演女主角小晓。11月26日，青年电影创作人员专题学习座谈会在杭州正式启幕，周冬雨受邀出席学习会议，并于27日在第三届中国电影新力量论坛上，针对“昂首新时代，阔步新征程”的主题发表了讲话。12月15日，主演由徐克担任监製与编剧的古装奇幻电影《奇门遁甲》上映。同日，周冬雨担任FIRST青年电影展2017年度FIRST短片季评审。

2018年1月28日，周冬雨作为国宝良渚文化玉琮的守护人亮相CCTV3大型文博探索节目《国家宝藏》。2月18日，周冬雨受邀出席第71届英国电影学院奖颁奖典礼。4月28日，由周冬雨领衔主演刘若英执导的青春文艺电影《后来的我们》上映，该片中国内地上映五天票房破10亿元，最终内地票房13.6亿元，并凭藉该电影获得华语电影传媒大奖最受欢迎演员奖。6月22日，长春电影节组委会宣布周冬雨与成龙一起担任第14届中国长春电影节形象大使。7月，进组拍摄由《七月与安生》原班製作团队打造、曾国祥执导、周冬雨领衔主演的电影《少年的你》，片中其挑战另类角色——饰演女主角陈念。12月21日，由周冬雨特别出演的古装动作喜剧电影《武林怪兽》全国上映。

2019年1月5日，由周冬雨领衔主演的电视剧《幕后之王》在东方卫视、北京卫视双台开年黄金档首播，周冬雨剧中饰演幕后製作人布小谷。1月11日，由周冬雨领衔主演的电影《少年的你》官宣入围第69届柏林国际电影节新生代单元，该片定档6月27日上映。1月17日，周冬雨出席“百花迎春——中国文学艺术界2019春节大联欢”并朗诵《百年贺词》。1月21日，致敬中华人民共和国成立70周年——1978卓越大奖公布提名名单，周冬雨提名“改革开放40年全国十佳女演员”。2月4日，2019年中央广播电视总台春节联欢晚会，周冬雨与凤凰传奇等表演歌舞《中国喜事》。3月5日，周冬雨作为巾帼志愿者参加中央电视台学雷锋志愿服务主题宣传特别节目《文明之光 志愿中国》，并表演朗诵《我就是雷锋》和歌曲《我们都是雷锋》。4月，周冬雨担任第九届北京国际电影节“北京展映”单元“国片推介人”，并作为入围影片推荐嘉宾出席开幕式。

2015年4月22日，周冬雨发表微博承认与男友田明鑫的恋情。2016年1月10日，周冬雨证实已恢复单身。

2011年9月14日，周冬雨出席第九届Bazzar明星慈善夜。

周冬雨担任FIRST青年电影展FIRST短片季评审

2012年2月20日，周冬雨受邀亮相伦敦时装周Burberry秋冬时装周头排看秀。6月1日，与百度知道“小桔灯”一同前往吉林省镇赉县新立国小捐赠书籍，她还为此专门购置大批文具。

2013年，担任第九届中国（北京）国际园林博览会志愿者形象代言人。

2014年7月，为“7·28世界肝炎日”拍摄公益微电影《十分之一的幸福》，意在普及民众对B肝的认识，呼吁消除歧视共抗B肝。

2015年3月8日和9日，周冬雨作为Chloé、Stella McCartney和Kenzo三个品牌方的受邀女星先后亮相巴黎时装周这三个秀场头排看秀。4月4日，周冬雨获得国家林业局宣传办等组织颁发的绿色志愿大使的证书；9月22日，周冬雨出席唐山世园会会徽、吉祥物暨公益形象大使发布仪式，并成为唐山世界园艺博览会公益形象大使。

2016年10月，周冬雨以公益大使的身份参与“尚·Style Star Design”项目的公益行动，并为杂誌《时尚先生Esquire》拍摄公益特刊的封面，还拍摄了公益微电影《一个拥抱，爱让我们不孤单》，号召全社会关爱和帮助爱滋病儿童，用大家共同的力量给予儿童更多关爱；11月24日，在韩红公布的为环卫工人捐款明细中，周冬雨为环卫工人捐款五万元。

2017年2月20日，周冬雨受品牌方邀请并以Burberry品牌挚友的身份亮相该品牌的伦敦时装周秀场头排看秀；4月7日，ofo小黄车联合NYT TRAVEL携手周冬雨等7位明星共同发起低碳出行公益计画；5月25日，周冬雨担任2017天·晴公益OK!Tee形象大使，并荣获“年度挚爱明星公益大使”。6月23日，周冬雨作为2017中国成都·金砖国家电影节的友好使者在开幕式推介两部入围的巴西影片。7月，她还参与拍摄了由国家新闻出版广电总局电影局发起，中央电视台电影频道承制，彰显中国电影人爱国情怀的《光荣与梦想——我们的中国梦》系列公益片之“社会主义核心价值观”篇。8月14日，在壹基金公布的九寨沟地震赈灾行动捐款名单中，周冬雨捐款20万元。9月，周冬雨以Burberry最新品牌形象大使（2019已升级品牌代言人）的身份出席伦敦时装周头排看秀，这也是周冬雨第三次受Burberry官方邀请前往伦敦时装周头排看秀。12月26日，周冬雨现身云南昆明红梅国小送上爱心包裹，为在艰苦条件中努力求学的孩子们送去温暖和鼓励。

2018年1月12日，周冬雨参与演唱和拍摄由国家新闻出版广电总局电影局、中国电影频道联合出品的《光荣与梦想——我们的新时代》之音乐公益广告片《赞赞新时代》。2月17日，周冬雨第四次受Burberry官方邀请并以Burberry品牌形象大使的身份出席伦敦时装周头排看秀。5月4日，由周冬雨参与演唱、中宣部和团中央促进的中国梦歌曲《强国一代有我在》MV首播，该歌曲作为2018年代表曲目入选了改革开放40年献礼作品集。5月18日，周冬雨蜡像正式入驻北京杜莎夫人蜡像馆。9月8日，周冬雨作为第14届中国长春电影节形象大使出席闭幕式，点燃象徵中国电影新力量的火炬并进行火种传递，象徵着新时代的电影人将继承先辈的传统，以新时代的“摇篮精神”引领中国电影走向新的辉煌。9月13日，周冬雨作为全球风格论坛形象大使出席2018全球风格论坛，与数十位顶尖艺术家、建筑师、导演一起，以“有艺先行”为主题探讨城市的过去、当下与未来。10月12日，周冬雨当选为中国文艺志愿者协会理事，并出席其第二次全体代表大会，同时周冬雨也在会议上分享了其对文艺志愿工作的体会。10月13日，周冬雨出席2018芭莎明星慈善夜，并与马思纯一起共捐款70万人民币。12月28日，周冬雨作为优秀演员代表之一出席中国电影家协会第十次全国代表大会在京开幕仪式。

周冬雨在电影《七月与安生》中的表演，突破以往温顺、清纯、乖巧的银幕形象，她挑战叛逆不羁、癫狂而又善良温暖的社会边缘人物李安生，鬆弛得甚至有些放肆，大开大合，没有任何负担，让观众惊叹于她的灵气和天赋（网易娱乐评）。

周冬雨是一个非常有天赋、非常好的演员，第一次演谍战剧《麻雀》，对她也是一个尝试，她的表演是有力量的，内心是有张力的，她的职业生命力肯定是会比较长久的（导演金琛评）。

从《山楂树之恋》的青涩少女静秋，周冬雨一路在质疑中成长，而《七月与安生》的表演，则让她把叛逆矛盾的安生演绎的淋漓尽致。作为其初涉小萤屏的谍战剧《麻雀》，她则成功诠释了女主角徐碧城从菜鸟特工到革命战士的蜕变之路，在友情、爱情和革命事业中的挣扎、恐惧、无畏，她都通过眼神和动作上的细腻表达，很好地呈现了角色的内心，每一个转变都把握得恰当好处（《南方人物周刊》评）。

周冬雨凭藉其“金马影后”，杀进榜单，被福布斯中国称讚为“未来新星” （福布斯2017年中国“30位30岁以下精英”榜单评）。