2001年，初出茅庐的周韵在与梁朝伟合作拍摄《滨江世贸》广告之后，又在同年与香港导演王家卫的泽东电影公司签下三部电影主演权。

2003年，在何平导演，姜文、赵薇、中井贵一主演的古装动作大片《天地英雄》中扮演小和尚“觉慧”一角，为此还剃掉多年长发。同年在香港导演彭浩翔的新片电影《张爱玲》中饰演张爱玲，与郭晓冬主演傅华阳导演的电影处女作《桃花灿烂》。同年在李幼斌、杨恭如主演的电视剧版家庭伦理大戏《我的兄弟姐妹》中饰演妹妹齐妙，是一个现代感极强的角色。在电视剧《西藏警察》中饰蔡蓝靖。

2004年，与孙红雷搭档拍摄了由导演叶大鹰执导的电视剧《走过幸福》，她用完全自然的表演风格饰演的朱小北，让周韵走进了千家万户。

2005年，在与夏雨共同主演的《爱上单眼皮的男生》饰 宋十一，在探讨当代女性情感世界的电视作品《你是苹果我是梨》中饰汤红，在央视投拍的电视剧《月上海》中饰任雨筝。

2007年，主演姜文执导电影《太阳照常升起》，在片中饰演疯妈。

2009年，在陈德森导演，陈可辛监制，谢霆锋、王学圻、梁家辉等主演电影《十月围城》中饰阿四的未婚妻阿纯。

2010年，在姜文自导自演，周润发、葛优、刘嘉玲共同主演的喜剧电影《让子弹飞》中饰演万人迷“花姐”，让观众看到了周韵万种风情的另一面。同年主演电视剧《金婚风雨情》饰舒曼，凭借该剧获得第1届亚洲彩虹奖最佳女演员奖。

2013年，主演姜文执导电影《一步之遥》。还在侯孝贤执导的电影《聂隐娘》里出演女二号。9月与姜文一起出席威尼斯电影节。