周處字子隱，義興陽羨人。父親周魴，吳國鄱陽太守。周處少時死了父親，還沒到二十歲，就臂力過人，好騎馬驅馳田獵，不修小節，縱情肆欲，州里鄉曲的人以他為禍患。周處自己也知道為人所厭惡，便十分感慨，有改過砥礪自己的志向，對父老說：「現在時政和諧年成豐收，何苦不快樂呢？」父老感歎道：「三個禍害未除，哪有什麼快樂呢？」周處說：「指的是什麼？」父老回答道：「南山有白額猛虎，長橋下有蛟龍，加上你就是三害了。」周處說：「像這樣的禍患，我能除掉它們。」父老說：「你如能除掉三害，那就是一郡的大慶，不只是除害而已。」周處便進入深山射死了猛獸，又跳到水中與蛟龍搏鬥，蛟龍時沉時浮，游了幾十里，而周處同它一道，經過三天三夜的搏鬥，人們認為周處也死了，都彼此慶賀。周處果真殺死了蛟龍回來，聽說鄉里互相慶賀，才知道別人特別厭惡自己，便到吳國尋找陸機、陸雲。當時陸機不在，見到陸雲，具以實情相告，說：「我想修養操行而年紀已大，恐怕來不及了。」陸雲說：「古代的人看重朝聞到晚上就改變過失，你前途還可以，應擔心志向不立，何必憂慮美名不彰呢？」於是周處便磨礪意志發奮好學，既有文才，又有講仁義剛烈的志氣，說話一定講忠信，注意克制自己。一年後，州府交相徵召。在吳國出仕任東觀左丞。孫皓末年，做無難都督。
吳國平定後，王渾登上建鄴宮飲酒，對吳國的人說：「各位是亡國留下的人，難道沒有憂戚嗎？」周處回答說：「漢朝末年分崩離析，魏蜀吳三國鼎立，魏國先滅亡，吳國後滅亡，亡國憂傷，哪裡只是一個人呢？」王渾有慚愧之色。
周處進入洛陽，漸漸遷任新平太守，對戎狄安撫講和，使叛亂的羌人歸附，雍地人讚美此事。轉任廣漢太守。郡內有很多久而未決的案件，有的經歷了三十年還未判決，周處評考曲直，一時都判決或遣返。後因母親年老離官回家。不久出任楚內史，尚未到任，又征拜為散騎常侍。周處說：「古人辭大官不辭小職。」便先到楚地。該郡已經經歷喪亂，新老居戶夾雜，風俗不一，周處用教義敦促他們，又把那些露在野外沒人認領的屍骸白骨安葬，然後才應朝廷徵召。遠近都稱讚他。
及至位居近侍，諷喻規諫很多。陞遷為御史中丞，所糾察彈劾之人，不論寵臣還是親戚。梁王司馬肜違法，周處嚴格按法律條文作結論，等到氐人齊萬年反叛時，朝廷大臣因討厭周處的剛直，都說：「周處是吳國名將的兒子，忠烈果敢剛毅。」便讓他隸屬於夏侯駿西征。伏波將軍孫秀知道他準會戰死，對他說：「你有老母，可以憑這個理由推辭。」周處說：「忠孝之道，怎麼能夠兩全？既然已經告別親人侍奉國君，父母又怎麼能把我當兒子呢？今天是我獻身國家的時機。」齊萬年得知後說：「周處從前守衛新平，我知道他的為人，文武兼備，如果獨自決斷而來，勢不可擋。如果受別人控制，就一定會被我捉住。」不久梁王司馬肜為征西大將軍，都督關中各種軍事。周處知道司馬肜心懷不平，一定會陷害自己，而自己又認為做人臣的應當盡節，不應該推辭畏懼，便悲憤地上了路，決意不活著回來。中書令陳准知道司馬肜將會報舊仇，便在朝廷說道：「夏侯駿和梁王司馬肜都是貴戚，不是將帥之才，進兵不求功名，撤退不怕責罰。周處是吳國人，忠勇果敢，與人有怨隙又沒有救援，必將喪身。應該下詔讓孟觀帶一萬精兵當周處的前鋒，必定能殲滅敵寇。不然，司馬肜會讓周處當先鋒，定會失敗。」朝廷不同意，當時賊兵駐紮在梁山，有七萬人，夏侯駿逼迫周處帶五千兵進攻。周處說：「我軍沒有後援，必定失敗，不僅自身滅亡，也是國家的恥辱。」司馬肜又命令周處進軍討賊，周處便與振武將軍盧播、雍州刺史解繫在六陌進攻齊萬年。將要作戰時周處的士兵還沒吃飯，司馬肜督促他趕快出戰，而斷絕他的後援。周處知道必定會失敗，便賦詩說：「去去世事已，策馬觀西戎。藜藿美梁黍，期待能善終。」說罷便作戰，從早晨到日暮，殺敵萬餘人，弓箭用盡，盧播、解系不救援他。他手下勸他撤退，周處按劍說道：「這是我報效臣節獻出生命的時刻，為何要撤退？以身殉國，不也是可以的嗎？」於是全力作戰而覆沒。追贈為平西將軍，賜他百萬錢，安葬之地一頃，京城的地五十畝為宅第，又賜給他王家的近田五頃。詔書說：「周處母親年紀大，外加是遠方之人，我每每憐憫，要供給她醫藥酒米，賜她壽終。」
周處著有《默語》三十篇以及《風土記》，並撰集《吳書》。當時潘岳奉詔作《關中詩》道：「周處殉軍令，滋潤黃鋮斧。其人吊已亡，貞節能稱舉。」又西戎校尉閻瓚也上詩說：「周處全臣節，美名不能已。身雖遭覆沒，載名為良史。」到後來司馬睿當晉王時，打算為周處加封謚號，太常賀循議論道：「周處德行清廉方正，才量高出，歷守四郡，安定人心建立美政；入朝主管百僚，貞節不屈不撓；而出征以身為國，臨危獻出生命，這都是忠臣賢士盛美的德業，也是英烈勇士高遠的節操。按照謚法固守仁德而不行邪僻叫做孝。」於是便謚號為孝。周處有三個兒子：周王已、周靖、周札。周靖早死，周王已、周札都知名於世。