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，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。同年在何平导演，姜文、赵薇、中井贵一主演的古装动作电影《天地英雄》中扮演小和尚“觉慧”，为此剃掉多年长发。
2003年，在彭浩翔执导的人物传记电影《张爱玲》中饰演张爱玲；同年与郭晓冬主演傅华阳执导的电影处女作《桃花灿烂》。同年在李幼斌、杨恭如主演的电视剧版家庭伦理剧《我的兄弟姐妹》中饰演妹妹齐妙，是一个现代感极强的角色。同年在走私犯罪剧《西藏警察》中饰蔡蓝靖。
2004年，与孙红雷搭档主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。同年在央视投拍的都市生活剧《月上海》中饰演年轻单纯的少女任雨筝。
2005年，在与夏雨共同主演都市情感剧《爱上单眼皮的男生》，在剧中饰演善良天真的宋十一。2006年，在探讨当代女性情感的电视剧《你是苹果我是梨》中饰家庭生活优越的女孩汤红。2007年，主演姜文执导的文艺电影《太阳照常升起》，在片中饰演疯疯癫癫抚养儿子的疯妈。
2009年，在陈德森执导，谢霆锋、王学圻主演民国动周韵动图
作电影《十月围城》中饰阿四的未婚妻阿纯。11月，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。
2010年10月，领衔主演的年代情感剧《金婚风雨情》播出，在剧中饰演美丽智慧，是事业心很强的女医生舒曼，凭借该剧获得第1届亚洲彩虹奖最佳女演员奖。
2012年10月，在侯孝贤执导的文艺武侠电影《刺客聂隐娘》里出演田季安的妻子田元氏，后化身顶尖杀手精精儿。2013年，主演姜文执导的歌舞剧情电影《一步之遥》，在片中饰演上海滩最有权势的大军阀的女儿武六。9月，与姜文一起出席威尼斯电影节。
2016年3月17日，参加在澳门举行第十届亚洲电影大奖颁奖典礼，周韵凭借《刺客聂隐娘》获最佳女配角；6月19日，周韵出席了书籍《平原上的摩西》的分享会。
2018年7月13日，与彭于晏、廖凡、许晴合作主演的动作喜剧电影《邪不压正》上映，周韵在片中饰演裁缝关巧红。