1999年，出演个人首部电视剧《酒结良缘》，从此开始演艺生涯。同年10月，出演由吴子牛执导，何政军、陈坤等领衔主演的剧情电影《国歌》 。随后，在都市剧《当代风流》中饰演姚姑娘。

2002年，主演剧情片《生死墙》，并担当女一号王莉。同年，出演由潘霞执导的年代剧《汽车城》，在剧中饰演秀珍一角 。

2003年5月，携手剧雪、董勇等主演都市情感剧《亲情树》，饰演淘气的雨家二女儿雨欢 。12月，出演古装电视剧《天下无双》，与陈好饰演的官宦小姐陈好是一对主仆 。同年，出演国内首部反映儿童“心理阴影”的电影《老师要结婚》。

2004年，出演清装公堂喜剧《新九品芝麻官》，与黄子华、黄圣依共同演绎一段官场趣事 。

2005年1月，出演由胡歌、刘亦菲、安以轩等主演的古装奇幻剧《仙剑奇侠传》，饰演白河村村长韩医仙的独生女韩梦慈，是一位温柔善良的女子 。同年，出演根据清代小说《聊斋志异》改编而成的古装神怪剧《新聊斋志异》，在《阿宝》单元饰演阿蓉。

2007年5月，与郭凯敏、薛佳凝共同出演家庭伦理剧《在悉尼等我》，饰演女主角贝蕾的闺蜜王瑶 。10月，与保剑锋、寇振海合作主演年代剧《小城往事》，在剧中突破年龄限制，饰演天真无邪又可爱的白家二小姐宁宁 。随后，又出演爱情偶像剧《青蛙王子》中的文婷一角。

2008年，携手辛柏青、于震主演战争情感剧《中国兄弟连》，饰演美丽，善良的姑娘唐雪容，三人在剧中共同诠释的一段生死“三角情” 。同年，出演犯罪悬疑剧《国家机密2》，饰演女侦查员宋晓菲，一度被有关部门怀疑为国际间谍，但通过一系列的侦查最终得以拨乱反正 。

2009年1月，出演的古装剧《漕运码头》播出，周诗璇在剧中饰演知府之女夏雪儿，与雅琦、李进荣再次共同经历曲折、离奇的“三角恋” 。12月，出演根据澳门作家廖子馨小说《奥戈的幻觉世界》改编的电影《奥戈》，在片中突破形象演绎一位风尘酒吧女；该片入围第45届卡罗维发利国际电影节主竞赛单元，周诗璇也凭借在片中的表演成功入围最佳女演员奖项 。同年，担任中韩合拍电影《内衣魔法师》“寻找女主角”全国选拔赛中方评委 。

2010年1月，主演家庭情感剧《城事》，与王阳饰演的霍思是一对神仙眷属，两个人从小一起长大，青梅竹马，两小无猜，有着相同的音乐梦想 。6月，周诗璇携手林永健、金玉婷主演传奇喜剧《孟来财传奇》，首次饰演打女，在剧中饰演林永健的女儿，性格开朗活泼，并习得一身好武艺 。9月，出演都市女性商战悬疑剧《红玫瑰黑玫瑰》，在剧中一人分饰两角，一面是温婉秀气、为情所伤的于锦绣，另一面是敢爱敢恨、执着决绝的孪生姐姐于锦红 。随后，搭档周一围主演年代情感剧《活着好好爱我》，并与其演绎一段催人泪下的爱情故事 。

2011年，客串由文章、白百何、莫文蔚主演的爱情电影《万有引力》中的纳兰一角 。2月，在历史革命题材《风语》中饰演一位美丽善良的爱国女青年，同时首次与外国演员上演跨国恋 。同年11月，主演惊悚悬疑电影《凶灵请帖》，饰演乌家小姐乌灵芸 。

2012年5月，与郝柏杰领衔主演剧情电影《不再沉睡》上映，她在剧中饰演男主角吴宁的未婚妻张丽华。6月，搭档万弘杰主演年代传奇剧《海上孟府》，饰演了赌场女招待康妮，与万弘杰饰演的罗老虎是一对欢喜冤家 。

2014年，主演悬疑爱情电影《绝对谎言》，饰演女一号冷冰冰，该影片荣获2015年临沂市第4届沂蒙文艺奖电影一等奖 。同年3月，主演的爱情剧《望海的女人》在安徽卫视上星，周诗璇在剧中饰演女一号淑萍的小姑秀玉，是一位善良淳朴、敢爱敢恨、勇于助人的渔村姑娘 。

2016年，出演由赵轶超执导的都市轻喜剧《她很漂亮》，剧中与王槊饰演一对“高冷”的恋人 。

2019年3月10日，主演由康镇海执导的现实主义题材剧《春暖花又开》在山东卫视播出，剧中饰演躁郁症患者柳宗嘉。

2022年，参演电视剧《好好说话》播出。