将自己的研究方向转向原始鸟类研究。1992年后，周赴美国堪萨斯大学留学，1995年，他和侯连海等人通报了对在辽宁西部一种原始鸟类的研究成果，并将其命名为孔子鸟（"Confuciusornis"）。1999年，周获得博士学位，学成归国，并就职于中国科学院古嵴椎动物与古人类研究所，从事古鸟类的研究，发表了大量古鸟类等古生物领域的重要论文；2010年出任中国科学院古嵴椎动物与古人类研究所所长。2010年获选为美国科学院外籍院士。2011年当选中国科学院地学部院士。2015年11月，当选为发展中国家科学