周牧茵从小学起就一直是文艺骨干，大大小小的演出，包括当地电视台的春节晚会和“五一”、“十一”晚会，都会去表演节目，唱歌跳舞什么的，中学时还是学校鼓乐队指挥。2003年周牧茵从普通高中考上北电的表演系。
2006年，参演由郑伊健、陈小春主演的《霍元甲》，扮演该剧女主角赵倩男。
2008年参与主演电视剧《虎山行》，片中扮演女一号姜文英。
2009年在《美人心计》中饰演温婉安静的子冉皇后。同年参演电视剧《贤妻良母》，周牧茵饰演了一位海归年轻知识女性周新悦。
2010年参演电视剧《美人天下》，扮演王皇后。
2011年，参演中国国内首部周播剧《被遗弃的秘密》，扮演“海归”万玲丹。同年主演的反特电视剧《喋血钱塘江》，周牧茵饰演的解放军侦查科科长张旭月。
2012年参演电视剧《山河恋之美人无泪》，剧中扮演角色娜木钟。同年参演电视剧《神秘人质》。
2013年，主演央视八套电视剧《马永贞》，扮演角色柳菊池。同年在《民国恩仇录》中，周牧茵饰演角色翠芝。
2014年，主演民族抗日励志电视剧《冒牌英雄》，周牧茵饰演女主角巴山凤，与杨烁饰演的刘邦子演绎了一段旷世奇恋。
