进入洛阳。逐渐升至新平太守,安抚和好戎狄,反叛的羌人来归顺,雍地安居乐业。转任广汉太守。郡中有许多积留未决的案件,还有拖了三十年不能判决的,周处详细了解其中的是非曲直,很快就断决了。因母亲年老辞官回家侍奉。不久任楚内史,尚未到任,朝廷征召为散骑常侍。周处说:“古人辞大不辞小。”于是先到楚就任。然而该郡经过战乱之后,新旧居民杂居,风俗不统一,周处督促推行教化仁义,又查明无主尸体以及遗弃在野外的白骨一并加以收葬,然后才接受征召赴任,远近之人都称扬赞叹。
等到身居近臣,常有劝谏。升任御史中丞,凡所弹劾的人,不回避宠亲贵戚。梁王司马肜违法,周处援用苛细的法律条文审理他。待到氐人齐万年反叛,朝中之臣憎恨周处的刚强正直,都说:“周处,是吴国名将的后代,忠诚威猛果敢刚毅。”于是派他跟从夏侯骏西征。伏波将军孙秀知道他此去必死,对他说:“你有年老的母亲,可以推辞不去。”周处说: “忠君孝亲之道,怎能两者兼顾!既然辞别亲人来事奉君王,作为父母哪襄还能把儿子当儿子呢?今天是我死的时候了。”齐万年听到这事,说:“周府君从前在新平理政,我懂得他的为人,文武全才,如果他有全权前来,是不能抵挡的。如果是被人指挥,这可要成俘虏了。”不久梁王司马肜任征西大将军、都督关中诸军事。周处知道司马肜气愤不平,一定会陷害自己,而自己认为人臣应当尽节效忠,不宜推辞畏惧,于是就悲壮上路,立志决不再回来。中书令陈准知道司马肜将乘机报旧怨,就在朝廷上说:“夏侯骏和梁王都是皇亲贵戚,不适合充当将帅,他们进而不求功名,退而不怕罪过。周处是吴人,忠诚勇敢果断刚强,有人怨恨而无人援助,必将送命。应该降诏下令孟观率一万精兵,作为周处的前锋,一定能消灭敌寇。不这样,司马肜必定派周处在前面迎敌,必然失败。”朝廷没有听从。当时贼兵驻扎在梁山,有七万兵众,然而夏侯骏逼着周处用五千士兵攻打他们。周处说: “部队没有后援,一定失败,即使我战死,也会给国家带来耻辱。”司马肜又命令周处进军攻打,于是与振威将军卢播、雍州刺史解系在六陌进攻齐万年。即将出战,周处部队将士尚未吃饭,司马肜命令快速出击,却断绝了他的后援。周处明白一定失败,吟诵一首诗道: “远去世事毕,策马观西戎。野菜胜粱黍,期望战胜而善终。”吟完即投入战斗,从早到晚,斩敌首级数以万计。弓断箭完,卢播、解系不来援救。左右将士劝他撤退,周处按着剑柄说:“这是我显示气节战死疆场的时候,有什么可后退的!况且古时良将接到命令,出征前必凿一扇凶门以示决心死战,造就是只有进路而没有退路啊。现在各军背信弃义,形势必定不可挽回。我身为大臣,以死报国,不也是应当的吗!”于是奋力苦战而死。