처음에는 뮤지컬 배우로 데뷔했다. 본격적으로 배우로 데뷔한 것은 2007년 뮤지컬 '알타보이즈'였으며, 그 후 그리스를 거쳐 2009년 스프링 어웨이크닝의 멜키어 커버 겸 싱어를 맡았다가 기존의 메인 멜키어였던 김무열이 드라마 촬영 때문에 출연을 중단한 후 멜키어 메인이 되었다. 멜키어 역으로 2009년 한국뮤지컬대상과 2010년 더 뮤지컬 어워즈의 남우신인상 후보에 오르기도 했다.

이후 드라마로 진출했으며 당해 KBS 연기대상에서 신인상을 수상했다. 드라마와 예능을 통해 승승장구 하였고 2013년 말에 뮤지컬 고스트에서 주인공 샘 위트 역으로 무대에 복귀했다. 2020년 7년 만에 고스트의 재연 무대로 초연과 마찬가지로 샘 위트 역으로 합류했다.

드라마 데뷔작은 2010년 제빵왕 김탁구이며, 구마준 역을 맡아 인상적인 연기로 주목받기 시작했다. 그 후 오작교 형제들의 황태희 역을 맡았다. 이 작품으로 KBS 연기대상 신인상을 받게 되었다.

영화에서는 2011년 특수본으로 데뷔해 엄태웅과 투탑을 맡았다. 미확인 동영상: 절대클릭금지를 통해 처음으로 도전한 호러 장르를 안정적으로 소화해 내었다. 웹툰 패션왕을 소재로 한 영화에도 캐스팅되었다.

2011년 들어 쉴 틈 없는 행보를 보였다. 주원의 연기에 대한 열정이 돋보이는 부분이다. 사실 배우는 항상 새로운 극과 새로운 캐릭터를 위해 변신을 꾀해야 하며, 그를 위해 자신의 이미지를 고정시키지 않고 항상 자신을 갈고 닦아야 한다. 이는 배우로서 당연히 지켜야 할 직업에 대한 프로 의식이다. 힐링캠프에 나와서 언급한 바에 의하면, 또래 배우들 중에 광고를 많이 찍지 않는다는 부분에 대해 본인은 연기적인 길을 우선시하고 싶다고 한다.