En 2013, Guanyu Zhou ganó campeonato de karts británico Super 1 y el Rotax Max Euro Challenge en la categoría júnior. Al año siguiente fue subcampeón del Rotax Max Euro Challenge sénior y compitió en el campeonato europeo y en el campeonato mundial en la categoría KF, además de debutar en monoplazas. En 2015, Zhou compitió en el Campeonato de Italia de Fórmula 4, donde fue subcampeón, y ADAC Fórmula 4 para Prema Powerteam.[1]
En 2019, compitió en Fórmula 2 con el equipo UNI-Virtuosi Racing.[3] En su primera temporada, logró cinco podios y finalizó séptimo en el campeonato, mientras que su compañero Luca Ghiotto fue tercero.[4] Además en esa temporada fue galardonado con el «Premio Anthoine Hubert» como el mejor novato del año.[5]
En 2020, Zhou logró su primera victoria en la F2 en la carrera corta de Sochi. Otros cinco podios logrados sirvieron para colocarlo en la sexta posición del campeonato, pero detrás de su compañero Callum Ilott, quien fue subcampeón.[6]
A principios de 2019, se incorporó a la academia de Renault y al propio equipo de Fórmula 1 como piloto de desarrollo.[8] A mediados de ese año, Zhou probó por primera vez un monoplaza de Fórmula 1, al realizar pruebas en un R.S.17.[9]
En 2020, Renault realizó una prueba para tres pilotos de su programa, Christian Lundgaard, Oscar Piastri y Guanyu Zhou, otra vez en un monoplaza anticuado, el R.S.18.[10] En las pruebas de la postemporada 2020, el piloto chino manejó por primera vez un vehículo de la temporada vigente, al ser asignado por Renault junto al titular Fernando Alonso.[11]
Al año siguiente, el equipo se renombró a Alpine y Zhou fue parte de las pruebas libres del Gran Premio de Austria con esta escudería.[12]
El 16 de noviembre de 2021 se confirmó su contrato para la temporada 2022 como piloto oficial del equipo Alfa Romeo.[13] En su carrera debut, en Baréin, logró su primer punto al finalizar en el décimo lugar.[14] Volvió a sumar puntos en Canadá, y en el GP posterior a ese, sufrió un vuelco en el inicio de la carrera, que lo llevó a traspasar el muro de contención y finalmente estrellarse contra las vallas. El sistema Halo evitó que sufriera un golpe fatal en la cabeza.[15] En el Gran Premio de Japón consiguió la vuelta rápida marcando 1.44.411.[16]
En la temporada 2023 obtuvo la vuelta rápida en Baréin y en Hungría logró su mejor posición en clasificatoria desde que entró en la Fórmula 1 (5º posición).[17][18] Gracias a los resultados de Zhou y de su compañero Bottas en la clasificatoria de Hungría, Alfa Romeo (Sauber) obtuvo su mejor resultado en clasificatoria desde 2012.[19] Además, puntuó tres veces, con una novena posición, tanto en el circuito de Australia, como en el de España.[20]Su última gran actuación fue en Catar, en el que obtuvo de nuevo una novena posición tras haber clasificado último el viernes.[21]
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