周牧茵自小学阶段开始，便始终是校园里备受瞩目的文艺骨干。无论是校内各类文艺汇演，还是参与地方电视台举办的春节联欢晚会以及“五一”、“十一”等重大节庆晚会，她总是活跃在舞台之上，为观众带来歌唱、舞蹈等多种形式的精彩表演。进入中学后，她的文艺才能得到了进一步发挥，曾担任学校鼓乐队的指挥，展现出良好的组织能力和艺术表现力。凭借多年积累的舞台经验与艺术素养，周牧茵于2003年顺利通过高考，从一所普通高中成功考入北京电影学院表演系，开启了专业的表演学习之路。
二零零六年，她出演了由郑伊健与陈小春联袂主演的古装动作剧《霍元甲》，并在剧中担纲女主角赵倩男一角，凭借这一角色开始受到观众关注。二零零八年，她主演了蔡晶盛执导的武侠动作剧《虎山行》，所饰演的姜文英是姜铁山的女儿，其性格设定为心高气傲且脾气火爆，展现出了角色鲜明的个性特点。次年，她在林心如、杨幂主演的古装宫廷剧《美人心计》中出演了温婉娴静的子冉皇后，塑造出一位端庄内敛的宫廷女性形象。同年，她还参演了吴锦源执导的家庭伦理剧《贤妻良母》，饰演一位具有海外留学背景的年轻知识女性周新悦，展现了现代都市女性的独立与知性。 二零一零年，她参演了一部宫廷悬疑魔幻题材剧集《唐宫美人天下》，扮演最初善良单纯的王皇后，然而在宫廷权谋的漩涡中，对权力与地位的追逐逐渐使她走上一条黑暗的不归路，角色层次丰富，转变令人唏嘘。二零一一年，她出演了中国内地首部采用周播模式的电视剧《被遗弃的秘密》，饰演留学归来的角色万玲丹。同年，她还主演了由于立清执导的反特谍战剧《喋血钱塘江》，在剧中扮演解放军侦查科科长张旭月，展现了沉着果敢的军人风采。 二零一二年，她在古装言情剧《美人无泪》中饰演皇太极的懿靖大贵妃娜木钟，演绎了后宫女性在复杂环境中的命运起伏；同年，她还参演了邵警辉执导的近代谍战剧《神秘人质》，饰演深情暗恋燕文川的雷小冉一角。二零一三年，她与陈国坤共同主演了一部年代动作剧《马永贞》，在剧中化身京剧名伶柳菊池，该剧于五月二日在中央电视台八套播出；同年，她还领衔主演了张家和执导的民国传奇剧《民国恩仇录》，饰演了一位善良坚强、隐忍宽容的传统女性翠芝，生动刻画了旧时代女性的坚韧品格。此外，她与霍建华等人合作出演的电视剧《笑傲江湖》也在湖南卫视与观众见面。 二零一四年，她与杨烁联合主演了民族抗日励志剧《冒牌英雄》，在剧中周牧茵饰演了敢爱敢恨、颇具侠义精神的江湖女侠巴山凤。二零一五年，她在古装武侠剧《少年四大名捕》中挑战自我，饰演了四大恶人之一的“唐仇”，这是她演艺生涯中首次尝试反派腹黑角色，表现令人印象深刻；同年，她与谭凯、郭羡妮联袂主演的商战年代剧《金玉瑶》在央视八套黄金档播出，她在剧中饰演柳思孝的妻子赵楚，展现了动荡年代中女性的情感与抉择。 二零一六年，她参演了由金沙执导的抗战题材剧集《雪海》，饰演原沙河保安团万久天的遗孤万彩虹，演绎了战争背景下人物的成长与蜕变。直至二零二二年四月五日，她参演的当代军旅题材电视剧《特战荣耀》正式播出，在剧中她饰演了一位性格冷静、行事沉稳的角色，再次以扎实的演技获得了观众的认可。
2009年6月11日，周牧茵和屈玥受邀参加环保主题活动。