Dzięki sukcesom w kartingu Guanyu Zhou zwrócił na siebie uwagę Akademii Kierowców Ferrari, która wzięła go pod swoje skrzydła w 2015 roku. Włosi poparli jego przejście do Europy, gdzie dołączył do ekipy Prema Powerteam. Z tym zespołem rywalizował w niemieckiej oraz włoskiej Formule 4. Zdecydowanie bardziej udane dla niego były zmagania na Półwyspie Apenińskim, gdyż odniósł tam trzy triumfy, ostatecznie plasując się na 2. miejscu w klasyfikacji kierowców.

Kolejne trzy sezony spędził w europejskiej Formule 3. W tym okresie wywalczył dwa zwycięstwa i jedenastokrotnie meldował się na podium. W międzyczasie startował w Grand Prix Makau. W 2016 roku zaliczył też epizod w serii Toyota Racing Series, w której zajął 6. lokatę.

Przed sezonem 2019 Chińczyk rozstał się ze szkółką Ferrari i zdecydował się dołączyć do programu juniorskiego Renault. Francuzi pomogli mu w znalezieniu miejsca w F2 w zespole UNI-Virtuosi Racing, który reprezentował przez kolejne trzy lata.

Debiutancka kampania na zapleczu F1 była świetna w wykonaniu Zhou. Pięciokrotnie zjawiał się na podium, a w zestawieniu kierowców zajął 7. miejsce. Jego postawa została doceniona przez włodarzy F2, którzy wręczyli mu nagrodę im. Anthoine'a Huberta dla najlepszego debiutanta sezonu.

Rok 2020 był dość pechowy dla Chińczyka. Stracił m.in. premierowe zwycięstwo w Austrii przez usterkę techniczną. Mimo to udało mu się odnieść później taki sukces. Dokonał tego w podczas przerwanego sprintu w Rosji. Zhou dołożył do tego pięć kolejnych podiów i wywalczył 6. pozycję w końcowej klasyfikacji.

W sezonie 2021 - z powodu swojego doświadczenia - był głównym faworytem do wygrania mistrzostw F2. Ostatecznie nie został tym mistrzem, ale cztery wiktorie i 3. miejsce w zestawieniu kierowców przesądziły o jego awansie do F1, choć należy wspomnieć, że nie byłoby mu to dane, gdyby nie jego potężne wsparcie sponsorskie.

Guanyu zakończył wszelkie powiązania z Alpine (Renault), które w trakcie ówczesnej kampanii umożliwiło mu oficjalny debiut w samochodzie w F1. Pojawił się we francuskiej maszynie podczas treningu przed GP Austrii, zastępując Fernando Alonso. Związał się natomiast z Alfą Romeo, gdzie został partnerem przychodzącego z Mercedesa, Valtteriego Bottasa.

Chińczyk w pierwszym sezonie w Formule 1 nie sprawił dużej niespodzianki, choć i tak wywarł pozytywne wrażenie na wielu kibicach. Punktował trzy razy i zakończył zmagania z sześcioma "oczkami" przy swoim nazwisku. Zhou został jednak głownie zapamiętany z dramatycznego wypadku po starcie GP Wielkiej Brytanii.

Guanyu nie zanotował większego postępu w swoim drugim sezonie w F1. Ponownie punktował raptem trzy razy, za każdym razem na 9. pozycji. Ponadto znów przegrał bezpośrednią rywalizację zarówno kwalifikacyjną, jak i wyścigową z Bottasem. Mimo to ekipa z Hinwil postanowiła dać mu kolejną szansę i przedłużyć z nim kontrakt na rok 2024.