2010年周冬雨因在张艺谋执导的电影《山楂树之恋》中饰演女主角静秋一角获得认可[3] ，凭借此片获得第56届西班牙巴利亚多利德国际电影节好佳女演员奖、第14届中国电影华表奖优秀新人女演员奖[4] 和第20届上海影评人奖好佳新人奖；该片以1.6亿的票房刷新了国产文艺片票房纪录[5-9] 。
2011—2013年先后主演了《倾城之泪》《宫锁沉香》等电影[10-11] 。2014年，周冬雨领衔主演青春爱情电影《同桌的你》在中国内地收获4.6亿票房[12] ，并凭借该电影获得第15届华语电影传媒大奖年度好受瞩目女演员奖[13] 。同年，在喜剧电影《心花路放》饰演杀马特女孩周丽娟[14] 。
2015年周冬雨主演电影《暴走神探》、《少年班》[15-16] ，同时还担任2015年中国电影节形象大使[17-19] 。2016年主演电影《冰河追凶》、《谎言西西里》、《七月与安生》、《奇门遁甲》、《你看上去很好吃》等[20-24] ，并凭借《七月与安生》获得第53届台湾电影金马奖好佳女主角[25] 。同年主演谍战剧《麻雀》[26] 。