闻讯，即由周士第和廖乾五带领四个班，赶往沙鱼涌救援。

    11月4日凌晨，敌人向沙鱼涌南端小高地铁甲车队阵地发起攻击。周士第指挥铁甲车队士兵英勇抗击，打退敌人多次进攻，守住了沙鱼涌阵地。早7时半，在英帝国主义的飞机掩护下，千余敌人再次向铁甲车队阵地发起攻击。敌人越来越多，所有高地均被敌人占领，沙鱼涌街口也落入敌手。周士第意识到处境已十分危险，遂决定突围。他亲自带队在前浴血奋战，先打垮街口的敌人，杀开了一条血路，又打垮守桥的敌人，冲过桥头，终于突出了重围。突围后，发现有些队员未能跟着突击出来，周士第等商量决定，让农民去沙鱼涌散布说：黄埔军校的学生军打来了。这时，沙鱼涌的敌人正在煮饭，一听说黄埔学生军打来了，顿时四散逃命。铁甲车队成员遂全部突围出来。

    沙鱼涌战斗，毙伤敌参谋长以下官兵200多人，给英帝国主义以沉重打击。中共两广区委对周士第和铁甲车队在沙鱼涌战斗中英勇顽强的战斗精神，给予高度赞扬。省港罢工委员会和广州群众团体为铁甲车队组织了盛大慰劳活动，还专门组织了报告会，请周士第报告沙鱼涌战斗的经过，号召人们学习铁甲车队的革命精神。毛泽东在广州农民运动讲习所向学员讲话时，对铁甲车队也给予了很高的赞誉。

    北伐战争时，周士第任叶挺独立团参谋长。后来，北伐军打垮横行一时的直系军阀吴佩孚。由于独立团英勇善战，战功显著，被誉为“铁军”。后独立团改编为国民革命军第二十五师第七十三团，周士第任团长。

    红军长征期间，中共中央派周士第任红十五军团参谋长，参加了直罗镇战斗。红军到达陕北后，为挽救华北危局，周士第率十五军团东征抗日，行程1000多公里，消灭敌人7个团。1936年12月，中共中央派周士第任红二方面军参谋长，协助贺龙总指挥和关向应政委工作。

    抗日战争爆发后，红二方面军改编为八路军一二零师，贺龙任师长，关向应任政委，周士第任参谋长。1937年9月，在朱德、彭德怀率领下，一二零师开赴晋西北，在雁门关一带开展游击战争，到年底，歼日伪军千余人。并在十四个县组织了游击队、自卫军，控制了吕梁山北部地区，建立起抗日根据地。

    1940年11月，晋西北军区（后改为晋绥军区）成立，周士第兼任军区参谋长。12月，周士第同张剑结婚。但他还没来得及与新婚妻子度蜜月，婚后第二天就去前线指挥反“扫荡”作战。1942年1月，关向应、贺龙先后去延安，军区工作由周士第主持。不久，日军发动了春季“扫荡”，采用“铁壁合围”、“梳篦战术”、“集中合击”、“分散清剿”等办法，妄图摧毁抗日根据地。周士第指挥部队，经过84天、200 多次战斗，毙伤日军3000多人。5月14日，周士第集中四个团的兵力，将窜入兴县之日军村川大队1400多人，包围在田家会，激战七昼夜，歼其大部，沉重地打击了日军的侵略气焰。

    1942年10月，晋绥分局书记林枫从延安返回，传达了毛泽东关于“把敌人挤出去”的指示。周士第联系实际提出组织武工队。在主力部队、游击队、民兵和广大群众的配合下，武工队时而集中，时而分散，打埋伏，袭据点，摸哨兵，捉汉奸，埋地雷，割电线，破路基，断水源，并开展政治攻势瓦解敌军，使敌人草木皆兵，生活困难，如鱼之失水，鸟之无栖，一个个碉堡，一个个据点，或被挤走，或被袭占。到1943年，武工队在主力部队和群众的配合下，挤掉敌据点140多个，摧毁敌伪政权800多个，收复了3000多个村庄，还争取了100多个伪村政权为两面政权。同年8 月，周士第升任晋绥军区副司令员。

    1944年6月，周士第因病回延安治疗休养。在病重