周冬雨出生于石家莊市的一個普通家庭，兒時曾練習體操，12歲時還進入了石家莊市體操隊
2010年初，還在上高三的周冬雨參加了愛情片《山楂樹之戀》征選女主角活動，隨後被張藝謀發掘，確定出演女主角靜秋
2011年2月2日，周冬雨首登央視春晚的舞台，與窦骁演唱歌曲《回家過年》和《小草》，其中開場歌舞《回家過年》在央視官網“我最喜愛的春晚節目”歌舞類中穩居榜首 ；6月10日，友情客串的曆史題材片《湘江北去》上映，她在片中飾演毛澤東的第一任妻子革命先烈楊開慧 ；12月22日，主演了由香港導演黃真真執導的愛情電影《傾城之淚》，她在片中飾演罹患骨癌的美麗少女給力妹
2014年4月25日，由其主演的青春愛情電影《同桌的你》公映，她在片中挑戰17歲的年齡跨度，飾演文靜秀氣的轉校生周小栀，該片最終內地收獲4.56億票房成績 [7] ，而周冬雨不但成爲首個主演單片票房過4億的90後女星，更是憑借在片中的表現獲得第15屆華語電影傳媒大獎年度最受矚目女演員獎
2015年1月16日，主演的偵探動作懸疑電影《暴走神探》上映，她在片中飾演身世貧苦但內心堅強的盲女慧蘭 ；4月，年代傳奇劇《魔都風雲》在上海車墩開機，周冬雨在劇中友情飾演果決霸道的蕭瑤 ；5月，爲3D動畫電影《哆啦a夢：伴我同行》中的成年靜香進行中文配音 ；6月19日，在校園青春電影《少年班》中飾演孤僻但極端聰明的少女周蘭 [50] ；10月30日，以形象大使的身份在韓國首爾出席中國電影節開幕式
8月9日，其在愛情電影《謊言西西裏》中飾演開朗的元氣少女小悠， 並憑借該片中的表現獲得第8屆澳門國際電影節最佳女主角 ；9月5日，主演的諜戰劇《麻雀》播出，她在劇中飾演特工機關臥底徐碧城，該劇播出後大結局以收視2.486的收視率刷新年度電視劇單日紀錄，而網絡總播放量更是突破110億，刷新諜戰劇紀錄
而她也成爲首位90後金馬獎影後 [9-10] ；12月31日，成爲CCTV6佳片有約形象推廣大使，並出席“CCTV62017中國黃金·電影之夜”
4月27日，主演由陳可辛監制的愛情電影《喜歡你》全國公映，而周冬雨則在該片中飾演創意廚師顧勝男，該電影中國內地票房超2億，並憑借該電影獲得第9屆中國電影導演協會年度女演員獎和獲得第14屆廣州大學生電影節最受大學生歡迎的女演員，同時還提名第12屆亞洲電影大獎最佳女主角獎
7月22日，以合夥人的身份加盟湖南衛視青春合夥人經營體驗節目《中餐廳》，並演唱主題曲《中餐廳》特別版 。11月26日，青年電影創作人員專題學習座談會在杭州正式啓幕，周冬雨受邀出席學習會議，並于27日在第三屆中國電影新力量論壇上，針對“昂首新時代，闊步新征程”的主題發表了講話 。12月15日，主演由徐克擔任監制與編劇的古裝奇幻電影《奇門遁甲》上映 。同日，周冬雨擔任FIRST青年電影展2017年度FIRST短片季評委
4月28日，由周冬雨領銜主演劉若英執導的青春文藝電影《後來的我們》上映，該片中國內地上映五天票房破10億元，最終內地票房13.6億元，並憑借該電影獲得華語電影傳媒大獎最受歡迎演員獎並提名第32屆中國電影金雞獎最佳女主角獎 。6月22日，長春電影節組委會宣布周冬雨與成龍一起擔任第14屆中國長春電影節形象大使 。12月21日，由周冬雨特別出演的古裝動作喜劇電影《武林怪獸》全國上映
1月21日，致敬中華人民共和國成立70周年——1978卓越大獎公布提名名單，周冬雨提名“改革開放40年全國十佳女演員” 。2月4日，在2019年中央廣播電視總台春節聯歡晚會上，周冬雨與鳳凰傳奇等表演了歌舞《中國喜事》 。3月15日，出品並特別出演由《鋼的琴》導演張猛執導的文藝全膠片電影《陽台上》 。4月，周冬雨擔任第九屆北京國際電影節“北京展映”單元“國片推介人”，並作爲入圍影片推薦嘉賓出席開幕式
9月，周冬雨入圍美國人民選擇獎“最受歡迎亞洲女性” 。10月25日，由《七月與安生》原班制作團隊打造、曾國祥執導、周冬雨領銜主演的電影《少年的你》上映，片中其挑戰與其個性反差很大的另類角色——飾演女主角陳念，該片入圍第69屆柏林國際電影節新生代單元，票房口碑雙豐收，該電影中國內地票房破15.5億元，位居2019中國電影票房總榜第九位，國産電影票房榜第八位，並憑借該電影獲得第四屆澳門國際影展新華語映像最佳女主角獎
2015年4月22日，周冬雨發表微博承認與男友田明鑫的戀情 。2016年1月10日，周冬雨證實已恢複單身 。周冬雨是一個非常有天賦、非常好的演員