2010周冬雨因在張藝謀執導的電影《山楂樹之戀》中飾演女主角而得到業界和大眾的廣泛認可。憑借這部電影，她獲得了第56屆巴利亞多利德國際電影節最佳女演員獎，14中國電影觀察獎傑出新人獎，第20屆上海電影評論獎最佳新人獎。該片票房雙富，以654.38+0.6億元刷新國產文藝片票房紀錄。
2011至2013主演《傾城之淚》《宮鎖沈香》等電影。2014年，周冬雨主演的青春愛情電影《同桌的妳》在中國大陸獲得4.6億票房，成為首位主演單部票房過4億的90後女演員，並獲得15華語電影傳媒大獎最受關註女演員獎。同年，他在喜劇電影《讓愛走》中扮演殺死馬特的女孩周麗娟。
2015年，周冬雨是接拍《少年班》《指甲剪》《陽光下的西西裏》《冰川追兇》《七月與和平》等不同題材電影的女壹號，還擔任2015年中國電影節形象大使。同年主演諜戰劇《麻雀》。