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.

Sa première saison a été marquée par un mélange de performances solides et d'incidents spectaculaires. Pour son premier Grand Prix, il s'élance de la quinzième place et termine dixième marquant, d'entrée, son premier point en F1. Il rentre de nouveau dans les points en terminant huitième au Canada. Lors du Grand Prix suivant, à Silverstone, il est victime d'un spectaculaire accident au départ. Sa voiture effectue plusieurs tonneaux avant de s'immobiliser à l'envers entre le mur de pneus et le grillage protégeant le public. Il marque ensuite un dernier point à Monza et termine le championnat à la 18e place.

Il est reconduit pour la saison suivante, toujours aux côtés de Bottas. Cette deuxième saison va ressembler à la première. Le pilote Chinois marque des points à trois reprises, terminant neuvième en Australie, en Espagne et au Qatar. A noter qu'il réalise un coup d'éclat lors du Grand Prix de Hongrie. Après avoir réalisé le meilleur temps de la Q1, il se qualifie ensuite à la cinquième place. Malheureusement, il est impliqué dans une collision dans le premier virage, ce qui lui vaut une pénalité de cinq secondes, et il ne termine la course qu'à la seizième place. Au final, son bilan est le même, six points et une 18e place au championnat.