2010年，周冬雨因被张艺谋导演选中，出演电影《山楂树之恋》中的女主角静秋而走红，从而踏入影坛，周冬雨凭借在此片中的表现，获得包括华表奖、西班牙Valladolid国际电影节（即：西班牙巴利亚多利德国际电影节）最佳女演员奖、上海影评人奖最佳新人奖奖项。《山楂树之恋》奖项票房双丰收，不仅入围柏林国际电影节水晶熊奖和金像奖最佳亚洲电影，还获得华表奖优秀故事片奖，并且刷新了国产文艺片的票房新记录，收获了1.6亿元的票房。
2010年，10月7日，张艺谋新片《山楂树之恋》为第15届韩国釜山国际电影节开幕片，张艺谋及两位主演窦骁、周冬雨出席了开幕式。据釜山电影节组织委员会的消息，9月27日下午5点，组委会开始对开闭幕影片的电影票进行网络预售，《山楂树之恋》的票在开售18秒之后全部售罄，创下了历届釜山电影节电影票最短时售罄的销售纪录。夏威夷当地时间10月14日上午，张艺谋携《山楂树之恋》的主演周冬雨和窦骁出席了第30届美国夏威夷国际电影节的开幕新闻发布会。11月1日，周冬雨签下她个人第一份广告代言合约，成为 “中草药护肤专家”——相宜本草新产品的代言人。11月10日，周冬雨正式代言美的旗下冰箱、洗衣机全线产品。之后的几个月，周冬雨相继代言了天喔蜂蜜柚子茶、金丝猴三层冰晶糖、卡西欧电子词典。12月21日，周冬雨出席2010年BQ红人榜颁奖盛典，凭借《山楂树之恋》斩获年度电影新人奖。
2011年，1月15日晚，湖南卫视百度娱乐沸点2010年度盘点在北京五棵松体育馆拉开帷幕，周冬雨凭借《山楂树之恋》荣获最热门新晋女演员奖。12011年，受张艺谋导演推荐周冬雨报考了北京电影学院，同年，周冬雨还主演了香港导演黄真真执导的爱情催泪电影《倾城之泪》，在影片中饰演罹患骨癌的美丽少女给力妹。此外周冬雨还在与保剑锋合作主演的革命历史题材导演《湘江北去》中饰演毛泽东的第一任妻子革命先烈杨开慧。
2012年，2月5日，周冬雨出席第23届哈尔滨冰雪电影节，凭借《山楂树之恋》斩获最具商业价值新人奖，并与窦骁共同演唱歌曲《山楂树》。6月,周冬雨登上五大一线杂志《ELLE世界时装之苑》的封面，并主演“ELLE 5.20我爱你”女性系列短片之爱在巴黎《妙之异境巴黎》，该片由华裔美籍导演陈奕利监制、清纯“谋女郎”周冬雨主演,还邀请到全球知名摄影师、导演、MV制作人Stéphane Sednaoui，跨界为ELLE拍摄艺术生涯中的第一部电影短片。8月27日，周冬雨出席《我们的骄傲》中国奥运健儿澳门联欢会，携跳水冠军吴敏霞等合
唱歌曲《隐形的翅膀》。
2013年，4月23日，周冬雨携她主演的电影《宫锁沉香》亮相第三届北京国际电影节闭幕式，周冬雨身穿Giambattista Valli2013春夏高级定制出席北京国际电影节，被欧美知名时尚网评为“一周最佳着装” 女明星。这是周冬雨第二次出席北京国际电影节，第一次是在2012年4月23日，周冬雨与窦骁一起出席了第二届北京国际电影节开幕式。6月15日，周冬雨与《宫锁沉香》剧组亮相第16届上海国际电影节开幕式。8月13日，周冬雨与陈晓 、包贝尔 、赵丽颖合作主演的清宫电影《宫锁沉香》上映，周冬雨在影片中饰演善良坚强的女主人公兆佳沉香。12月17日，周冬雨现身第八届“BQ红人榜”，并凭借在电影《宫锁沉香》中的表现荣获“年度突破演员”。12月23日，周冬雨出席乐视盛典，凭借在电影《宫锁沉香》中的出色表现获封“年度电影最受欢迎女演员”。
2013年，周冬雨在还与林更新、王啸坤共同主演的青春爱情电影《同桌的你》中饰演文静秀气的女主角周小栀。同年，周冬雨还在与阮经天共同出演的侦探动作悬疑电影《包打探手记》（又名：《暴走神探》）中首次挑战出演盲女，饰演女主角慧兰。此外周冬雨还与黄渤、徐峥合作主演了宁浩执导的暴走喜剧电影《心花路放》（又名：《玩命邂逅》），周冬雨首次突破清纯形象挑战杀马特，出演发廊妹周丽娟，演技获得该片导演宁浩的认可，《心花路放》最终内地票房11.52亿，跻身华语影史票房前三名。
2014年，3月23日，周冬雨接拍她个人的首部电视剧《玻璃鞋》（又名：《美丽一生》、《遇见爱情的利先生》）正式开机拍摄，该剧由《命中注定我爱你》导演陈铭章导演，《回家的诱惑》陈晓冰编剧，周冬雨出演该剧女主角刘欣桐，男主角是陈晓。4月25日，由周冬雨主演的《同桌的你》电影中国内地公映，上映九天票房即破三亿。周冬雨在影片中挑战17岁年龄跨度，演技被肯定且有大突破。5月10日，周冬雨主演的电影《同桌的你》获得“第21届北京大学生电影节组委会大奖”，内地最终收获4.6亿票房周冬雨也成为首个主演单片票房过4亿的90后女星，并凭借该电影出色表演获得第15届华语电影传媒大奖年度最受瞩目女演员奖。同年7月成为欧珀莱涌泉润肌系列代言人。9月7日，周冬雨与宁浩导演携新作《心花路放》亮相多伦多国际电影节，周冬雨作为该届华语电影人军团中年龄最小的明星亮相该电影节红毯，也受到了广泛关注，并登上了被誉为“好莱坞圣经”的美国综艺杂志《Variety》封面。9月，周冬雨接拍和孙红雷合作主演的电影《少年班》。12月，周冬雨与李准基跨国合作主演关锦鹏监制林育贤执导的爱情电影《西西里艳阳下》。
周冬雨首部电视剧海报
2015年1月16日，周冬雨主演的电影《暴走神探》在中国大陆上映。3月4日，周冬雨主演的《西西里艳阳下》在意大利正式杀青。3月8日和9日，周冬雨作为Chloé、Stella McCartney和Kenzo三个品牌秀场的唯一中国受邀女星亮相巴黎时装周头排看秀。3月13日，进组拍摄与梁家辉、佟大为合作主演的悬疑电影《冰河追凶》。3月19日，周冬雨主演的电影《少年班》举行定档发布会，宣布该电影定于6月19日全国上映。5月，周冬雨担纲3D动画电影《哆啦a梦：伴我同行》中成年静香的中文配音。6月16日，上海参加《少年班》首映发布会。10月15日，周冬雨主演的电影《奔爱》定档2016年1月15日上映。10月30日，由中国国家新闻出版广电总局电影局和韩国电影振兴委员会主办，CJ CGV和CJ E&M协办的2015中国电影节在韩国首尔开幕，周冬雨作为中国的代表演员担任该届电影节形象大使并出席了开幕式。同年还主演电视剧《魔都风云》、与李易峰合作主演谍战戏《麻雀》。
