Guanyu Zhou débute sa carrière en karting en Chine en 2007, en participant à divers championnats asiatiques avec beaucoup de succès. En 2015, il fait ses débuts en monoplace en participant au championnat d'Italie de Formule 4. Avec trois victoires à son actif cette année-là, il termine le championnat à la deuxième place.

De 2016 à 2018, il participe au Championnat d'Europe de Formule 3 avec l'équipe Motopark Academy puis avec Prema Powerteam, et obtient plusieurs podiums. Lors de sa dernière saison de F3, il remporte sa première victoire à Pau, puis un second succès à Hockenheim.

En 2019, il fait le saut en Formule 2 avec l'équipe UNI-Virtuosi Racing. Il monte à quatre reprises sur la troisième marche du podium et obtient une pole position à Silverstone. Il termine la saison à la septième place et remporte le trophée de "rookie" de l'année. La même année, il intègre le programme de jeunes pilotes de Renault, et en 2020, il devient le pilote d'essai de l'équipe. Ce rôle lui permet d'effectuer plusieurs essais en Formule 1.

En 2020, il ne se classe qu'à la sixième place du championnat avec seulement quatre podiums en quatorze courses. Il faut attendre la course sprint de Sotchi pour qu'il remporte enfin sa première victoire en Formule 2.

Début 2021, le Chinois remporte le championnat d'Asie de Formule 3. Il entame ensuite sa troisième saison en Formule 2. Il décroche une pole position, quatre victoires à Bahreïn, Monaco, Silverstone et Abou Dhabi et cinq podiums supplémentaires. Au terme du championnat, il se classe à la troisième place. Cette même année, il participe à la première séance d'essais libres lors du Grand Prix d'Autriche avec Alpine.

En novembre 2021, Alfa Romeo l'engage, aux côtés de Valtteri Bottas, pour la saison 2022 de Formule 1. Il devient ainsi le premier Chinois à participer à un Grand Prix de Formule 1.

En F1 avec Alfa Romeo

Il entame sa première saison en Formule 1 en 2022 au sein de l'écurie Alfa Romeo, aux côtés de Valtteri Bottas. Il se distingue dès le Grand Prix de Bahreïn en terminant à la dixième place, ce qui lui permet de marquer un point pour ses débuts officiels dans la discipline. Le premier tiers de la saison est toutefois perturbé par plusieurs abandons mécaniques, notamment à Miami et en Azerbaïdjan, alors qu'il évolue régulièrement dans le milieu du peloton. En juin, sur le circuit Gilles-Villeneuve, à Montréal, il réalise sa meilleure performance de l'année en terminant huitième après une course solide. Le Grand Prix de Grande-Bretagne, à Silverstone, marque un tournant dramatique de sa saison, lorsqu'il est victime d'un accident majeur au premier virage : sa monoplace se retourne et glisse sur le toit avant de franchir les barrières de sécurité. Il en sort cependant indemne grâce au système Halo. Il effectue son retour dès la course suivante, en Autriche. Il termine sa première saison par une dixième place en Italie et se classe dix-huitième du championnat.

En 2023, il poursuit son engagement avec la structure suisse, toujours sous l'appellation Alfa Romeo. Lors de la première épreuve à Bahreïn, il réalise le meilleur tour en course, mais ne termine que seizième. Il marque ses premiers points de la saison lors du Grand Prix d'Australie, profitant des nombreux incidents de course pour se hisser à la neuvième place. En juin, lors du Grand Prix d'Espagne à Barcelone, il réalise une nouvelle prestation probante en se classant une fois de plus neuvième. En juillet, lors des qualifications du Grand Prix de Hongrie sur le tracé du Hungaroring, le pilote chinois marque les esprits. Il parvient à placer sa C43 à la cinquième place sur la grille de départ, ce qui constitue son meilleur résultat en carrière dans cet exercice. En course, un problème technique survenu lors de la procédure de départ compromet immédiatement ses chances et il termine hors de la zone des points. Sa dernière apparition dans le top 10 a lieu en octobre, lors du Grand Prix du Qatar, où une gestion efficace des conditions climatiques extrêmes lui permet de remonter jusqu'à la neuvième place finale. Il achève le championnat à la dix-huitième place, affichant une certaine stabilité dans ses performances malgré les difficultés de développement de son écurie.

Kick Sauber

Il poursuit ensuite sa carrière chez Sauber, qui prend le nom de Kick Sauber cette saison. Sa campagne commence au Grand Prix de Bahreïn, où le pilote chinois se classe onzième, à un cheveu de marquer un point. Ce résultat initial restera sa meilleure performance une bonne partie de la saison. Sa monoplace, la C44, souffre en effet de problèmes récurrents lors des arrêts aux stands et d'un manque de vitesse de pointe. En Arabie saoudite et en Australie, il se classe respectivement dix-huitième et quinzième, subissant les limites techniques de sa voiture. Lors du Grand Prix de Chine, de retour au calendrier, il se distingue lors de la séance de qualification du sprint en se classant dixième. Il termine toutefois la course sprint en neuvième position, juste en dehors de la zone des points. Lors du Grand Prix, il franchit la ligne d'arrivée à la quatorzième place. La période suivante s'avère plus difficile et il termine systématiquement au-delà de la douzième place. Sa réalisation majeure de la saison intervient lors de l'avant-dernier Grand Prix, au Qatar. Dans une course mouvementée, ponctuée de plusieurs interventions de la voiture de sécurité et de nombreuses pénalités pour ses concurrents, il adopte une stratégie de gestion des pneumatiques efficace. Il parvient à remonter dans la hiérarchie et franchit la ligne d'arrivée en huitième position. Ce résultat lui permet d'inscrire quatre points, soit l'unique score de son écurie sur l'ensemble de l'année 2024. Il termine sa saison et son engagement avec l'équipe au Grand Prix d'Abou Dabi, où il se classe treizième, et conclut le championnat à la vingt-et-unième place du classement des pilotes.

Ferrari

Il rejoint la Scuderia Ferrari au début de la saison 2025 pour occuper les fonctions de pilote de réserve et de développement. Ce passage vers l'écurie de Maranello fait suite à la fin de son contrat de titulaire chez Sauber. Dès le mois de février, il participe activement aux séances de préparation technique au sein du département de simulation. En mars, il effectue ses premiers tours de roue avec la monoplace de l'année lors des essais privés Pirelli sur le circuit de Barcelone. Durant la tournée européenne, le pilote chinois se rend sur chaque Grand Prix pour assurer sa fonction de réserviste et être prêt à remplacer l'un des titulaires en cas d'indisponibilité.

Cadillac

En janvier 2026, il est recruté par Cadillac, onzième équipe à faire ses débuts sur la grille, pour occuper le poste de pilote de réserve. Ce recrutement s'inscrit dans une logique de cohérence technique pour le projet mené par General Motors. En 2026, Cadillac utilise des unités de puissance et des boîtes de vitesses fournies par la Scuderia Ferrari, avant de produire son propre moteur, ce qui explique le choix du pilote chinois. En effet, il a participé à trois saisons complètes avec ce moteur, complétées par son année de développement au sein de la Scuderia en 2025.