周处字子隐，义兴陽羡人。父亲周鲂，吴国鄱陽太守。周处少时死了父亲，还没到二十岁，就臂力过人，好骑马驱驰田猎，不修小节，纵一情肆欲，州里乡曲的人以他为祸患。周处自己也知道为人所厌恶，便十分感慨，有改过砥砺自己的志向，对父老说：“现在时政和谐年成丰收，何苦不快乐呢？”父老感叹道：“三个祸害未除，哪有什么快乐呢？”周处说：“指的是什么？”父老回答道：“南山有白额猛虎，长桥下有蛟龙，加上你就是三害了。”周处说：“像这样的祸患，我能除掉它们。”父老说：“你如能除掉三害，那就是一郡的大庆，不只是除害而已。”周处便进入深山射死了猛兽，又跳到水中与蛟龙搏斗，蛟龙时沉时浮，游了几十里，而周处同它一道，经过三天三夜的搏斗，人们认为周处也死了，都彼此庆贺。周处果真杀死了蛟龙回来，听说乡里互相庆贺，才知道别人特别厌恶自己，便到吴国寻找陆机、陆云。当时陆机不在，见到陆云，具以实情相告，说：“我想修养一操一行而年纪已大，恐怕来不及了。”陆云说：“古代的人看重朝闻到晚上就改变过失，你前途还可以，应担心志向不立，何必忧虑美名不彰呢？”于是周处便磨砺意志发奋好学，既有文才，又有讲仁义刚烈的志气，说话一定讲忠信，注意克制自己。一年后，州府交相征召。在吴国出仕任东观左丞。孙皓末年，做无难都督。
吴国平定后，王浑登上建邺宫饮酒，对吴国的人说：“各位是亡国留下的人，难道没有忧戚吗？”周处回答说：“汉朝末年分崩离析，魏蜀吴三国鼎立，魏国先灭亡，吴国后灭亡，亡国忧伤，哪里只是一个人呢？”王浑有惭愧之色。
周处进入洛陽，渐渐迁任新平太守，对戎狄安一抚讲和，使叛乱的羌人归附，雍地人赞美此事。转任广汉太守。郡内有很多久而未决的案件，有的经历了三十年还未判决，周处评考曲直，一时都判决或遣返。后因母亲年老离官回家。不久出任楚内史，尚未到任，又征拜为散骑常侍。周处说：“古人辞大官不辞小职。”便先到楚地。该郡已经经历丧乱，新老居户夹杂，风俗不一，周处用教义敦促他们，又把那些露在野外没人认领的一尸一骸白骨安葬，然后才应朝廷征召。远近都称赞他。
及至位居近侍，讽喻规谏很多。升迁为御史中丞，所纠察弹劾之人，不论一宠一臣还是亲戚。梁王司马肜违法，周处严格按法律条文作结论，等到氐人齐万年反叛时，朝廷大臣因讨厌周处的刚直，都说：“周处是吴国名将的儿子，忠烈果敢刚毅。”便让他隶属于夏侯骏西征。伏波将军孙秀知道他准会战死，对他说：“你有老母，可以凭这个理由推辞。”周处说：“忠孝之道，怎么能够两全？既然已经告别亲人侍奉国君，父母又怎么能把我当儿子呢？今天是我献身国家的时机。”齐万年得知后说：“周处从前守卫新平，我知道他的为人，文武兼备，如果独自决断而来，势不可挡。如果受别人控制，就一定会被我捉住。”不久梁王司马肜为征西大将军，都督关中各种军事。周处知道司马肜心怀不平，一定会陷害自己，而自己又认为做人臣的应当尽节，不应该推辞畏惧，便悲愤地上了路，决意不活着回来。中书令陈准知道司马肜将会报旧仇，便在朝廷说道：“夏侯骏和梁王司马肜都是贵戚，不是将帅之才，进兵不求功名，撤退不怕责罚。周处是吴国人，忠勇果敢，与人有怨隙又没有救援，必将丧身。应该下诏让孟观带一万一精一兵当周处的前锋，必定能歼灭敌寇。不然，司马肜会让周处当先锋，定会失败。”朝廷不同意，当时贼兵驻扎在梁山，有七万人，夏侯骏一逼一迫周处带五千兵进攻。周处说：“我军没有后援，必定失败，不仅自身灭亡，也是国家的耻辱。”司马肜又命令周处进军讨贼，周处便与振武将军卢播、雍州刺史解系在六陌进攻齐万年。将要作战时周处的士兵还没吃饭，司马肜督促他赶快出战，而断绝他的后援。周处知道必定会失败，便赋诗说：“去去世事已，策马观西戎。藜藿美梁黍，期待能善终。”说罢便作战，从早晨到日暮，杀敌万余人，弓箭用尽，卢播、解系不救援他。他手下劝他撤退，周处按剑说道：“这是我报效臣节献出生命的时刻，为何要撤退？以身殉国，不也是可以的吗？”于是全力作战而覆没。追赠为平西将军，赐他百万钱，安葬之地一顷，京城的地五十亩为宅第，又赐给他王家的近田五顷。诏书说：“周处母亲年纪大，外加是远方之人，我每每怜悯，要供给她医药酒米，赐她寿终。”
周处著有《默语》三十篇以及《风土记》，并撰集《吴书》。当时潘岳奉诏作《关中诗》道：“周处殉军令，滋润黄铖斧。其人吊已亡，贞节能称举。”又西戎校尉阎瓒也上诗说：“周处全臣节，美名不能已。身虽遭覆没，载名为良史。”到后来司马睿当晋王时，打算为周处加封谥号，太常贺循议论道：“周处德行清廉方正，才量高出，历守四郡，安定人心建立美政；入朝主管百僚，贞节不屈不挠；而出征以身为国，临危献出生命，这都是忠臣贤士盛美的德业，也是英烈勇士高远的节一操一。按照谥法固守仁德而不行邪僻叫做孝。”于是便谥号为孝。周处有三个儿子：周王已、周靖、周札。周靖早死，周王已、周札都知名于世。