Năm 1974, cuộc sống của Châu thay đổi sau khi ông đọc được một thông báo tuyển diễn viên của hãng TVB. Sau khi được hãng TVB tuyển chọn và ký hợp đồng 3 năm, Châu bắt đầu tham gia các bộ phim truyền hình của hãng này và nhanh chóng trở nên nổi tiếng nhờ ngoại hình cao to (1,85m) và khả năng diễn xuất. Năm 1980, Châu thực sự trở thành ngôi sao của màn ảnh nhỏ Hồng Kông sau khi thủ vai Hứa Văn Cường trong bộ phim truyền hình dài 25 tập Bến Thượng Hải (上海灘), đây được xem là một trong những bộ phim truyền hình thành công nhất mà TVB đã từng sản xuất. Sau Bến Thượng Hải, Châu Nhuận Phát lại tiếp tục thành công với vai Lệnh Hồ Xung trong phiên bản truyền hình năm 1984 của tiểu thuyết võ hiệp Tiếu ngạo giang hồ.

Song song với những thành công trên truyền hình, Châu Nhuận Phát bắt đầu thử sức ở lĩnh vực điện ảnh. Bộ phim điện ảnh đầu tiên của ông là Trì nữ (池女, 1976), một bộ phim cấp 3[1] nhưng phim không thành công và diễn xuất của Châu cũng ít gây được chú ý, người ta biết đến ông chủ yếu vẫn là qua những bộ phim truyền hình dài tập. Năm 1981, Châu Nhuận Phát có được thành công điện ảnh đầu tiên với vai diễn trong bộ phim Hồ Việt đích cố sự (胡越的故事) của đạo diễn Hứa An Hoa. Nhưng phải chờ đến năm 1986, vai diễn đột phá mới thực sự đến với Châu khi ông được đạo diễn Ngô Vũ Sâm chọn vào vai Lý Mã Khắc (Mark) trong bộ phim Anh hùng bản sắc (英雄本色). Sau khi ra mắt, Anh hùng bản sắc đã thành công vang dội cả về mặt doanh thu và nghệ thuật, bộ phim được xem là tác phẩm kinh điển của thể loại phim hành động Hồng Kông và được xếp thứ hai trong Danh sách các bộ phim hay nhất của điện ảnh Hoa ngữ 100 năm qua[2], còn Châu Nhuận Phát lập tức trở thành ngôi sao hành động mới của điện ảnh Hồng Kông.

Sau thành công đầu tiên, Châu tiếp tục hợp tác với đạo diễn Ngô Vũ Sâm trong các bộ phim hành động thành công khác như Anh hùng bản sắc 2 (英雄本色2, 1987), Điệp huyết song hùng (喋血双雄, 1989), Lạt thủ thần thám (辣手神探, 1992). Nhưng không chỉ đóng đinh với các vai anh hùng hành động, Châu còn thành công với các bộ phim tình cảm như Thu thiên đích đồng thoại (秋天的童話, 1987) hay A Lang đích cố sự (阿郎的故事, 1989).

Năm 1989, Châu Nhuận Phát vào vai thần bài Cao Tiến trong phim Thần bài (赌神) của đạo diễn Vương Tinh. Bộ phim thành công vang dội và mở ra một thể loại phim mới của điện ảnh Hồng Kông, phim về cờ bạc với nhiều bộ phim theo bước Thần bài do Lưu Đức Hoa và Châu Tinh Trì thủ vai. Riêng Châu Nhuận Phát thì thực sự khẳng định vị trí ngôi sao lớn nhất của điện ảnh Hồng Kông vào giai đoạn cuối thập niên 1980.

Giữa thập niên 1990, sau rất nhiều thành công ở thị trường điện ảnh Hồng Kông, Châu Nhuận Phát bắt đầu muốn tham gia các bộ phim của Hollywood với hi vọng sẽ trở thành một ngôi sao người Hoa ở tầm quốc tế như Lý Tiểu Long đã từng làm được. Sau bộ phim cuối cùng làm ở Hồng Kông, Hòa bình phạm điếm (和平飯店, 1995), Châu nghỉ hẳn hai năm để hoàn thiện kỹ năng tiếng Anh và chuyển tới Mỹ để chuẩn bị phát triển sự nghiệp. Hai bộ phim Mỹ đầu tiên của Châu là The Replacement Killers (1998) và The Corruptor (1999) là những thất bại về doanh thu. Bộ phim tiếp theo, Anna and the King (1999) mà trong đó Châu đóng cặp với nữ diễn viên từng hai lần đoạt Giải Oscar Nữ diễn viên chính xuất sắc nhất Jodie Foster đánh dấu thành công đầu tiên, tuy còn hạn chế, của Châu ở Hoa Kỳ. Năm 2000, Châu tham gia bộ phim võ hiệp Ngọa hổ tàng long của đạo diễn Lý An, thành công lớn của bộ phim (giành Giải Oscar Phim ngoại ngữ hay nhất) một lần nữa đưa Châu trở lại vị trí ngôi sao lớn của điện ảnh tiếng Hoa. Năm 2006, Châu Nhuận Phát đóng cặp cùng Củng Lợi trong bộ phim Hoàng Kim Giáp (满城尽带黄金甲) của đạo diễn Trương Nghệ Mưu và được đề cử giải Nam diễn viên chính xuất sắc nhất tại Giải thưởng Điện ảnh Hồng Kông, đây là lần thứ 13 ông được đề cử giải thưởng này và đang là người giữ kỷ lục về số lần đề cử.

Năm 2007, Châu Nhuận Phát vào vai thủ lĩnh cướp biển Thiệu Phong, một vai nhỏ trong bộ phim bom tấn Cướp biển vùng Caribê: Nơi tận cùng thế giới (Pirates of the Caribbean: At World's End). Bộ phim sau đó của Châu là The Children of Huang Shi đã được công chiếu vào cuối năm 2007.