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：“我想修养操行而年纪已大，恐怕来不及了。”陆云说：“古代的人看重朝闻道晚上就改变过失，你前途还可以，应担心志向不立，何必忧虑美名不彰呢？”于是，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。周处年少时，凶强侠气，为乡里所患，又义兴水中有蛟，山中有哀邅迹虎，并皆暴犯百姓，义兴人谓为三横，而处尤剧。或说处杀虎斩蛟，实冀三横唯馀其一。处即刺杀虎，又入水击蛟。蛟或浮或没，行数十里，处与之俱。经三日三夜，乡里皆谓已死，更相庆。竟杀蛟而出。闻里人相庆，始知为人情所患，有自改意。乃自吴寻二陆，平原不在，正见清河，具以情告，并云：“欲自修改，而年已蹉跎，终无所成。”清河曰：“古人贵朝闻夕死，况君前途尚可。且人患志之不立，亦何忧令名不彰邪！”处遂改励，终为忠臣孝子。
孙吴被晋朝攻灭后，王浑登上建业宫饮酒，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。周处进入洛阳，渐渐迁任新平太守，对戎狄安抚讲和，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。不久出任楚国内史，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尸骸白骨安葬，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，不论宠臣还是亲戚。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，都督关中诸军事。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精兵当周处的前锋，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，夏侯骏逼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。
晋朝廷追赠周处为平西将军，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。
当时潘岳（潘安）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操。按照谥法“固守仁德而不行邪僻”叫做孝。”于是便谥号为孝。
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