2004年10月，出演作家海岩的监狱题材剧《深牢大狱》，饰男一号刘川。

2005年11月，周一围参演全景式反映滇西抗战剧《滇西往事》，饰英勇无畏的碟报人员章子雄。

2006年6月，在赵薇主演的情感剧《谢谢你曾经爱过我》中饰侯志杰；周一围在都市爱情动作片《真情无限之继母》中的李大宇。

2007年1月22日，在北京保利剧院落幕的“2006娱乐大典”上，周一围获得了“电视剧年度最佳新人奖” ；5月，与杨若兮、修宗迪领衔主演国内第一部全面反映楼市商战的《楼王之谜》，饰演具有双重性格的复仇者童瞳；9月，周一围在描写上个世纪80年代那一段青葱岁月的怀旧故事《空巷子》中饰热忱自信的陈大明。

2009年3月，在欧阳震华主演的古装神话剧《天师钟馗》中饰潘文杰；4月，与田中裕子、殷桃联袂主演清宫戏《苍穹之昴》，周一围在剧中饰演梁文秀；同年，主演人物历史剧《孔子春秋》，饰孔子的徒弟子贡。

2010年7月，与林心如、李依晓共同参演都市情感剧《独家披露》，饰祝五一；8月，出演建党90周年献礼影片《建党伟业》，饰爱新觉罗.载沣 ；9月，参与穆德远执导的红色献礼剧《中国1921》的拍摄，饰邵飘萍；11月，周一围在建党九十周年献礼影片《湘江北去》中出演学者胡适；同年，周一围主演公益电影《盲人电影院》，扮演了刚毕业的大学生陈语。

2011年2月，参演林心如工作室出品的古装宫廷戏《倾世皇妃》，周一围饰演柴荣王子；5月，搭档杨若兮、杨童舒联袂主演兵团情感戏《像兄妹一样手拉手》，饰演宣传干事贾正军；6月，参演了辛亥革命一百周年献礼影片《国父孙中山》，在该片中挑战“革命反派”陈炯明；10月，拍摄了由刘伟强导演、陈可辛监制的武侠电影《血滴子》，饰杀手布喀；11月，客串都市励志剧《囧人的幸福生活》，周一围饰文杰；12月，拍摄以民国时期枣庄煤矿为基本背景的历史剧《独有英雄》，塑造了从角儿向实业救国的企业家蜕变的马玉郎。

2012年4月，在黄力加执导的都市家庭剧《妯娌的三国时代》中饰戴宁；8月，出演了谭朗昌执导的都市情感剧《恋爱的那点事儿》，塑造了温暖痴情不吝付出的“萤火男”窦楠一角；11月，参与由周渝民、刘诗诗共同主演的爱情电影《回到爱开始的地方》，在片中塑造了高富帅好男人程志远；与马苏共同主演年代悬疑电视剧《烈焰》，饰演刑涛桀骜不驯、做事果断的邢涛。

2013年2月，主演了李云亮执导的改编自网络军事作品的《遍地狼烟》，周一围饰中衫正；6月，在路阳执导的浪漫武侠电影《绣春刀》，周一围饰丁修；同年，与张铎、朱丹、黄小蕾共同出演内地首部律政作品《金牌律师》，周一围饰演的“痞子律师”苏东。在电视剧《红色》中饰演小巡捕“铁林”。

2014年5月，搭档苗圃，拍摄了都市轻喜剧《香火》，扮演妇产科医生金麒麟；9月，主演由余丁执导的大型情感剧《两个女人的战争》，饰演男主角齐伟。

2015年1月，主演傅东育执导的历史传奇剧《少林问道》，饰演总督之子程闻道。

2016年，参演由曹盾执导的东方魔幻史诗巨制《九州·海上牧云记》，饰演硕风和叶。

2016年12月，参演的电影《你好，疯子》和电影《少年》上映。

2017年6月16日，其主演的影片《我不是药神》举行关机发布会；7月，拍摄根据付遥同名小说改编的国内首部互联网创业题材电视剧《创业时代》，饰演另一位创业者罗维，18日，拍摄原创文化探秘节目《七十二层奇楼》。2017年参演电影《鲛珠传》，饰演郡王；同年参演电影《建军大业》，饰演南昌守备团团长陈峰；2017年10月，参加浙江卫视《演员的诞生》，摘得年度总冠军。2017年11月11日，由周一围等人主演的马伯庸小说改编电视剧《长安十二时辰》在象山影视城宣布开机。

2018年5月，由周一围监制的短片《妈妈都是胆小鬼》上映；19日，参加《快乐大本营》节目录制。

2018年9月，受邀参加2018年中央广播电视总台中秋晚会。同年，作为故宫文创新品开发员参加北京卫视文化创新类真人秀节目《上新了·故宫》。

2019年2月4日，2019年中央广播电视总台春节联欢晚会，周一围与闫妮、吴海龙、张维威、沈月、李栋