早年经历
清光绪二十六年（1900年）9月9日，周士第出生于广东海南岛乐会（今海南琼海）新昌村。7岁时读私塾，后入乐会县高等小学和琼崖中学。五四运动中被选为琼崖学生联合会干事，积极参加爱国学生运动。
民国九年（1920年），周士第到该县第二区高等小学当教员。
民国十一年（1922年），周士第赴广州，参加中国共产党外围组织“琼崖评论社”。
大革命时期
民国十三年（1924年）5月，周士第考入黄埔军校第一期，毕业后参与组建孙中山的“建国陆海军大元帅府铁甲车队”。同年12月加入中国共产党。
民国十四年（1925年）2月起，周士第任铁甲车队副队长、队长，曾率队参加支援广宁农民运动、平定商团及军阀叛乱、保卫广东革命政府及援助省港大罢工等斗争，表现出英勇顽强的战斗精神，受到中共两广区委的高度赞扬。1925年11月担任以铁甲车队为基础组建的国民革命军第4军独立团（叶挺独立团）第1营营长。
民国十五年（1926年）4月起，周士第任独立团参谋长，5月随部作为北伐先遣队进军湖南，6月协助叶挺在安仁首战告捷，稳定了湘南战局，为北伐军主力开辟了前进道路。8月参与指挥曾参与指挥汀泗桥战役、贺胜桥战役，尔后率部攻打武昌城。由于所部敢打硬仗，屡建奇功，被称为“铁军”。10月起任独立团（后改称国民革命军第25师第73团）代理团长、团长。
民国十六年（1927年）4月，周士第率部参加武汉国民政府举行的第二期北伐。后移师江西九江马回岭。
土地革命
民国十六年（1927年）8月1日，周士第率部参加南昌起义，任第25师师长。起义军南下广东失利后，辗转香港、南京、上海、西安、福建等地，曾参加邓演达领导的中国国民党临时行动委员会和黄埔革命同学会，参与策划推翻蒋介石。
民国二十年（1931年）夏，周士第被捕，后在宋庆龄的营救下获释。
民国二十一年（1932年）1月，上海淞沪抗战爆发后，周士第曾任上海抗日义勇军队长。
民国二十二年（1933年），福建事变后，周士第到蔡廷锴的第19路军参加反蒋活动，任第49师参谋处长、团长。同年底到中央苏区首府江西瑞金，任红军大学军事教员。
民国二十三年（1934年）10月，周士第参加长征，先后任军委干部团上级干部队指挥科科长、队长。到达陕北后，任红15军团参谋长，参加直罗镇战役和东征战役。
民国二十五年（1936年）12月，周士第任红二方面军参谋长。
抗日战争
抗日战争爆发后，周士第任八路军第120师参谋长，随部开赴晋西北，在雁门关一带开展游击战争，创建晋西北抗日根据地。
民国二十八年（1939年），周士第转战冀中，参与指挥齐会战斗、陈庄战斗、黄土岭战斗等战斗。
民国二十九年（1940年），周士第参加百团大战，11月兼任晋西北军区（后改为晋绥军区）参谋长。
民国三十年（1941年），周士第兼任抗大第7分校校长。
民国三十一年（1942年）1月，贺龙、关向应去延安后，周士第主持军区工作，参与指挥春季反“扫荡”，并取得田家会战斗的胜利。
民国三十二年（1943年）8月，周士第任晋绥军区副司令员，率部粉碎日军秋季“扫荡”。
民国三十三年（1944年）6月，周士第因病回延安休养。
解放战争
解放战争初期，周士第兼任晋北野战军司令员兼政治委员，指挥晋北战役。
民国三十七年（1948年）5月，周士第任华北野战军第1兵团副司令员兼副政治委员，协助徐向前指挥晋中战役、太原战役。
民国三十八年（1949年）5月，周士第任第18兵团司令员兼政治委员，率部向西北进军，参与指挥扶郿战役和秦岭战役。11月率兵团主力分三路进军西南，连续解放汉中、广元、剑阁、江油、绵阳等40多座县城。
建国之后
1950年2月，周士第任西南军区副司令员、西南军政委员会委员、中共中央西南局委员，参与领导剿灭匪特和改造起义部队工作。同年10月奉命组建中国人民解放军防空军，任司令员，亲自到东北地区和朝鲜战场进行实地勘察，参与指挥抗美援朝战争防空作战。
1955年，周士第任训练总监部副部长兼军外训练部部长。
1978年，周士第任总参谋部顾问。
1979年6月30日，周士第病逝于北京，享年79岁。
诗
《故乡》
《故园》
《海南岛》
《一个兵》
文章
《把敌人挤出去》（《星火燎原》丛书）
《晋中平原上的一个歼灭战》（《人民日报》1961年09月01日）
《纪念孙中山先生九十诞辰》（《人民日报》1956年11月06日）
《论平原游击战争的几个问题》
《论陈庄战斗》
《东征回忆》
《在党的领导下最早的一支革命武装——铁甲车队》
《北伐先锋》
《起义中的二十五师》
《吃冰淇淋》
回忆录
《周士第回忆录》（1979年4月出版）
深圳救围
1925年6月，周士第率领铁甲车队在深圳抗击十倍于己的陈炯明部，被三面包围。周士第身上七处负伤，仍带队边打边走，终于冲出重围。回师广州后，民众自发组织盛大慰劳活动。毛泽东当时在广州农民运动讲习所讲课时，高度评价“铁甲车队”的英勇斗争精神。
北伐先锋
1926年5月，周士第率领北伐先遣队国民革命军第四军独立团（叶挺独立团）第一营当先锋，打头阵，飞兵平江，突袭汀泗桥，攻占贺胜桥，激战武昌城。1926年10月10日，周士第指挥独立团凭着拼死一战的精神，用架设云梯的办法硬是在通湘门取得了突破，他们首先攻占蛇山，迫使武昌守军停止抵抗，3万守军缴械投降，独立团仅牺牲官兵191人。
南昌起义
南昌起义前，周士第任团长的国民革命军第25师第73团，驻扎在江西九江。南昌起义时，国民革命军第二十五师参加起义的部队有七十三团全部、七十五团三个营，七十四团重机枪连。1927年8月1日，周士第率七十三团行至德安车站以北时，第四军军长张发奎、第二十五师师长李汉魂等人带卫队营乘火车追来，遭到七十三团的猛烈射击。张发奎、李汉魂等跳车逃跑，卫队营全部被周士第七十三团缴了枪，一部分士兵和一些下级军官参加了起义军。
华北抗战
1937年10月中旬，八路军第一二O师第七一六团在雁门关两次伏击日军，歼其500余人。在战斗中，周士第曾率一个骑兵连，袭击宁武县城，歼日军一部。10月18日至21日，周士第协助贺龙、关向应指挥所部张宗逊旅和陈伯钧旅，在敌后采取袭击、伏击等灵活的游击战术，对日军大同至忻口的后方补给线上广武、雁门关及阳明堡等地，连续进行了20余次战斗，共歼灭日军1200余人，击毁汽车数十辆，使进攻忻口的日军粮、弹、油供应濒于断绝，有效地配合了正面战场的作战。
1938年2月起，周士第协助贺龙、关向应指挥第一二O师为配合友军部队反攻太原，担任切断同蒲路北段任务。在忻口、东社地区激战10多天，攻克平社、麻会、关城镇等7处据点，歼日军800余人。随后，于3月7日至4月1日，粉碎了日军对晋西北的5路围攻，歼其1500余人，收复岢岚、五寨、保德、河曲、宁武等7座县城。
解放太原
解放太原战役，周士第在徐向前病重期间承担太原前线全面军事指挥。1949年4月20日，周士第指挥前线部队发起总攻，22日扫清太原外围，24日攻克太原，全歼太原国民党守军8.9万余人，生擒国民党第八集团军司令孙楚、国民党第十三集团军司令兼太原守备司令王靖国、晋绥署中将第10总队总队长今村、少将炮兵顾问岩田等。
防空功业
1950年10月19日，周士第被任命为中国人民解放军防空军司令员。周士第将各大城市担负防空任务的部队组建起来，成立了中国人民解放军防空军。在朝鲜战争期间，志愿军防空部队与美空军共作战10038次，击落美机413架，击伤1559架。朝鲜战争结束后，周士第的工作重心立即转入了国内防空建设。至1953年7月，防空部队拥有2个高射炮师，3个高射炮团，8个独立高射炮营，4个探照灯团，1个雷达团，8个雷达营，17个对空监视团，建立了高级防空学校、高射炮学校、防空学校、雷达学校、技术学校等5所学校，培训总人数10余万人。
1955年，周士第被授予了上将军衔，获一级八一勋章、一级独立自由勋章和一级解放勋章。是第五届全国人大常委会委员，第三、第四届全国政协常务委员，第一至第三届国防委员会委员。
