При рождении он был назван Чжоу Дуньши ( кит. упр. ???, пиньинь: Zh?u D?nsh?), прозвище имел Маошу ( кит. упр. ??, пиньинь: M?osh?), люди называли его Ляньси. Когда в 1063 году на трон взошёл император Ин-цзун (девиз правления «Чжипин»), то иероглиф «Ши», входивший в личное имя императора, стал запретным, и потому Чжоу сменил имя на «Дуньи».
Чжоу Дуньи происходил из семьи чиновника, в 1036—1071 годах находился на государственной службе, занимая административные посты среднего уровня. Через своего дядю по матери, ставшего ему приёмным отцом, крупного чиновника Чжэн Сяна он был связан с консервативной группировкой при дворе, которая противодействовала реформам Ван Аньши. Однако с последним, по некоторым свидетельствам, Чжоу Дуньи имел личную встречу в 1060 году и оказал на него сильное впечатление.
Прямыми учениками Чжоу Дуньи были основоположники неоконфуцианства братья Чэн (Чэн Хао и Чэн И). Посмертно в 1120 году он получил почётное имя «Юань-гун», в 1241 году удостоился титула «Жунаньского бо» и установления таблички с его именем в храме Конфуция. При последующих династиях ему присваивались ещё более высокие титулы и звания: в 1319 году — «князь Даого», в 1714 — «древний мудрец».
Главными философскими сочинениями Чжоу Дуньи является «Тайцзи тушо» («Изъяснение Плана Великого предела») и «Тун Шу» («Книга проникновения»), также известная как «И тун» («Проникновение в Книгу перемен»). Ортодоксальной считается их текстологическая и идейная трактовка в комментариях Чжу Си. Во время правления династии Мин творческое наследие Чжоу Дуньи было сведено воедино и сопровождено пояснительными текстами в собрании сочинений, которое в дальнейшем фигурировало под тремя синонимичными названиями: «Чжоу-цзы цюань шу» («Полное собрание письмён философа Чжоу»), «Чжоу Ляньси цзи» («Собрание сочинений Чжоу Ляньси») и «Чжоу Юань-гун цзи» («Собрание сочинений князя Чжоу»).
Знаменитый деятель Коммунистической партии Китая Чжоу Эньлай являлся потомком Чжоу Дуньи в 33-м поколении, а знаменитый писатель Чжоу Шужэнь, писавший под псевдонимом «Лу Синь» — в 32-м.