2007年，周元以音乐剧《Altar Boyz》正式出道。 2010年，签约SIM. Entertainment（SIM）成为旗下艺人，同公司艺人有姜至奂、刘海镇、金允石、林智妍。 6月，主演KBS电视剧《面包王金卓求》，饰演反派人物具马俊。此剧在韩国创下最高50.8%的收视率，成为近3年来首次突破50%收视率的电视剧。 2011年8月，主演KBS2的周末剧《鹊桥兄弟们》，这是一部搞笑有趣的家庭剧，在大结局时创下了自身最高收视率36.3%。周元凭借黄泰熙一角，获得2011年KBS演技大赏新人奖和百想艺术大赏电视部门新人男演员奖。 11月，与严泰雄主演的电影《特殊搜查本部》上映，该片讲述重案组的热血警员成凡（严泰雄饰）接手调查残忍杀害同僚的案件，他与警察厅组成了特殊搜查本部，并且与FBI出身的犯罪分析科浩龙（周元饰）联手，与总是先一步离开犯罪现场的嫌疑人展开殊死对决。电影在25日至27日上映期间总计吸引了34万6875名观众，夺得了韩国11月最后一个周末票房榜冠军。 2012年5月，出演KBS水木剧《新娘面具》，饰演男主角李江土，上演娴熟的演技和紧张激烈的打斗戏，并通过凌厉的眼神和坚毅的表情，吸引了观众。该剧改编自韩国画家徐英万在1974年发表的同名漫画书的作品，讲述了选择当无名英雄的李江土（周元饰）、可以让他为之出生入死的女人牡丹（陈世妍饰）、在爱情与友情间不断纠结的木村俊二（朴基雄饰），以及坚若泰山的哥哥江山（申贤俊饰）之间上演的爱恨情仇。《新娘面具》大结局收视率高达22.9%，周元凭借该剧获得2012年KBS演技大赏人气奖和长篇优秀男演员奖。 同年周元担当韩国娱乐节目《两天一夜第二季》的MC，获得2012年KBS演艺大赏娱乐男子部门新人奖。 2013年1月，周元搭档崔江熙出演MBC水木剧《七级公务员》，饰演可爱骄傲痴情的韩吉路。周元在《七级公务员》结束后，马上进入电影《Catch Me》的拍摄，《Catch Me》是周元2011年以《特搜本部》在大银幕电影出道之后首次担当主演的电影作品。 8月，周元与文彩元一同出演KBS月火剧《good doctor》，在剧中扮演拥有学者综合症的自闭青年朴施温。该剧以最高21.5%的收视率收官，周元凭借该剧获得KBS演技大赏三大电视台PD选择演技者奖、男子最优秀演技奖、网络人气奖、情侣奖和第26届韩国PD大奖演员奖。 11月，周元选择音乐剧《GHOST》回归时隔4年的音乐剧舞台。该音乐剧改编自1990年由帕特里克・斯威兹、黛米・摩尔两人联袂主演的人气影片《GHOST》。周元饰演山姆・维特，公演从2013年11月24日持续到2014年6月29日。 2014年10月，KBS电视剧《明日如歌》开播，周元在剧中饰演外貌、才能兼备，却患有高空恐惧症的完美音乐才子车宥镇。该剧讲述了车宥镇与沈恩京饰演的天才钢琴少女薛明日通过音乐相识相爱，最终互相治愈、一起成长的故事。 11月6日，与崔雪莉、安宰贤主演的爱情喜剧电影《时尚王》上映。《时尚王》改编自同名人气漫画 ，讲述了一名平凡的好学生虞启明（周元饰）为了追求喜欢的女生郭恩珍（崔雪莉饰）而决心成为时尚王的故事。 2015年7月3日，与郑允浩、“国乐少女”宋素姬出席在韩国光州举办的世界大学生夏季运动会开幕式，压轴表演传统国乐音乐剧，周元的主题是“今日的青春”。 8月5日，SBS水木剧《龙八夷》播出，周元饰演一位实力超群的外科医生金泰贤 。该剧主要讲述了不问场所和患者，只要给钱就会出诊的顶尖外科医生和在医院陷入昏迷的女继承者之间发生的独特浪漫故事 ，被称为2015年“收视最逆天”的强力之作。周元凭借该剧获得2015年“SBS演技大赏”的中国网民投票人气奖、十大明星奖、最佳荧幕情侣奖和大赏。 10月28日，周元携手刘海镇、李宥英主演的电影《就是那个家伙》上映，该片不仅占据了当天预售率榜单首位，而且以456185观影人次获得当周票房冠军。《就是那个家伙》讲述在1999年釜山的一个小村庄里，女学生被害身亡，她的哥哥为了追查真凶孤军奋战，最后不得不借助巫术的力量，是一部悬疑片。周元饰演平凡的渔村青年张宇，在片中变身粗糙汉子，他为此增重8公斤、剪短头发，同时还挑战庆尚道方言演技。 11月，周元搭档邓家佳拍摄首部中国电视剧《爱情也包邮》，饰演快乐风趣的阳光快递员晨曦。 2016年3月，首尔地方警察厅公布了的第340批义务警察选拔考试合格名单，周元登上了艺能特长兵(警察宣传团)的最终合格名单，将作为艺能特长兵履行国防义务，但入伍时间未定。 6月13日，韩国济州岛委任周元担任济州岛柑橘宣传大使及第14届济州柑橘国际马拉松大会宣传大使。 8月5日，出演的首部中国电影《夏有乔木雅望天堂》上映，该片由韩国导演赵真奎执导，周元在片中饰演霸道总裁曲蔚然。 10月，主演新概念科幻动作片《特勤》，饰演具有“捉妖天师”之称的新晋特殊要员徐基雄。 同年，主演青春历史剧《我的野蛮女友》，饰演牵牛。