2005年6月，韩孝周首次参演情景喜剧《Nonstop 5》，正式荧屏出道。2006年1月，参与拍摄动作片《头师傅一体2》，饰演一名遭遇不幸的女孩。3月主演由尹锡湖导演的“四季恋曲”系列的最后一部《春天华尔兹》。11月主演剧情片《非常特别的客人》，获得第26届韩国影评奖最佳新人女演员奖和第20届新加坡国际电影节最佳女主角奖。

2007年1月，搭档朴海镇主演家庭剧《比天高比地厚》，饰演善解人意的“石智秀”一角。该剧在韩国最高收视达到36.1%（大韩民国全国TNS收视率）。

2008年5月，与李准基主演首部古装剧《一枝梅》，凭借贵族小姐“卞恩彩”一角在SBS演技大赏中获得最佳女新人奖。8月与李英勋主演爱情片《单车上路》，饰演一名女大学生。11月搭档金在中主演日韩合作片《天国的邮递员》。

2009年4月，韩孝周与李升基主演爱情剧《灿烂的遗产》，饰演“高恩星”一角。该剧不仅在韩国最高收视达到47.1%（大韩民国全国TNS收视率），还成为了2009年度韩国电视剧收视冠军，被湖南卫视引进播出。之后凭还借该剧获得SBS演技大赏特别企划部门“女子优秀演技奖”。9月搭档金东旭出演音乐电视剧《Soul Special》，并且亲自演唱OST《突然的眼泪》。10月签入BH Entertainment经纪公司。

2010年3月，携手池珍熙主演由《大长今》导演李丙勋执导的古装剧《同伊》。该剧作为韩国MBC电视台49周年台庆剧，播出后最高收视达到33.1%（大韩民国全国TNS收视率）。韩孝周凭借英祖大王李昑生母“崔同伊”一角获得MBC演技大赏最高大赏、第47届韩国百想艺术大赏电视部最佳女主角奖以及香港有线电视2010最佳电视剧人气演员奖。

2011年10月，韩孝周与苏志燮合作爱情片《只有你》，饰演失去视力的盲女“静花”一角。该片被选为第16届釜山国际电影节开幕电影。2012年9月，与李秉宪合作拍摄古装片《光海，成为王的男人》，该片观影人数1230万人次。12月搭档高修主演浪漫爱情片《创可贴》。

2013年7月，与薛景求、郑雨盛联袂主演动作片《监视者们》，该片观影人数550万人次。韩孝周凭借该片获得第22届韩国釜日电影奖和第34届韩国电影青龙奖最佳女主角奖。

2014年9月，再次搭档高修出演短篇电影《妙香山馆》，饰演一名北朝鲜的餐厅服务生。11月主演由日本导演犬童一心执导的爱情片《戴维克罗的恋爱和魔法》，饰演灯光师“泰瑞妍”一角。

2015年2月，与郑宇搭档主演爱情片《如此美好》，该电影讲述以音乐工作室C’est Si Bon为背景，刻画了在此诞生的组合和他们女神间的凄美爱情故事。8月主演爱情片《内在美》，饰演与不断转变为其他人的男人坠入爱河的“李秀”一角。

2016年4月，与柳演锡、千禹熙主演爱情片《解语花》，饰演

一名拥有歌唱和舞蹈实力的妓生。7月搭档李钟硕主演悬疑剧《W-两个世界》，饰演外科女医生“吴妍珠”一角。凭借该剧获得第5届大田电视剧节中篇剧部门和MBC演技大赏迷你剧部门最优秀女子演技奖。

2017年6月，为纪念出道13周年，举办“你好？好久不见”粉丝见面会。2018年2月，搭档姜栋元主演悬疑片《金色梦乡》，饰演一名电台记者。7月参演动作片《人狼》，该片改编自同名动画电影。

2019年10月，主演美剧《Treadstone》，该剧是由讲述在CIA文件中也不存在的秘密要员的训练与计划。