2004年周楚楚出演《难忘1936》和《案发现场》两部电视剧，正式进入娱乐圈。
2006年参演古装历史悬疑剧《东方朔》，饰演剑儿；同年参演《情系半边天》；2007年出演家庭情感剧《家有爹娘》系列。
2008年出演根据王朔的同名小说改编的电影《一半海水一半火焰》，该片入围第四十五届台湾金马奖最佳剧情片，周楚楚饰演小白；2009年客串同志电影《刺青》并参演电影《牛村规则》。
2010年在《野草莓》和《仙草之恋》两部电影中担任女一号并凭借《野草莓》获得第二届澳门国际电影节最佳演员新人奖；同年客串中国香港悬疑恐怖电影《维多利亚一号》和犯罪动作喜剧《混混天团》。
2011年参演历史动作单元剧《铁血使命》并在悬疑惊悚电影《青魇》中饰演大胆风骚的骆晓月；2012年客串家庭伦理剧《妯娌的三国时代》。
2013年周楚楚、黄秋生、袁咏仪等主演的电影《叶问之终极一战》上映；同年周楚楚主演历史战争剧《英雄联盟》和偶像剧《超级灰姑娘》，分别饰演许文静和徐杭珊并客串网络青春喜剧《人生需要揭穿》。
2015年周楚楚与胡歌搭档主演电视剧《大好时光》，饰演袁浩（胡歌饰）的前女友，也是整部戏最痴情的夏冰冰一角。