1942年9月，晉西北軍區(qū)改為晉綏軍區(qū)，賀龍為司令員，關(guān)向應(yīng)為政委，周士第為參謀長，甘泗淇為政治部主任。同年，賀龍任陜甘寧晉綏五省聯(lián)防司令員，在延安工作。晉綏軍區(qū)軍事工作由周士第主持。

周士第和晉綏軍區(qū)領(lǐng)導(dǎo)用3個(gè)多月的時(shí)間指揮武工隊(duì)襲占敵據(jù)點(diǎn)50多個(gè)，改變了1000多個(gè)村莊的面貌，爭取了100多個(gè)日偽村政權(quán)轉(zhuǎn)變成為實(shí)際上為我方服務(wù)的“兩面政權(quán)”，摧毀了敵偽村級政權(quán)800多個(gè)，進(jìn)一步鞏固擴(kuò)大了晉綏抗日根據(jù)地。

1943年8月，周士第升任晉綏軍區(qū)副司令員。這時(shí)，正值國民黨頑固派準(zhǔn)備掀起第三次反共高潮，抗日根據(jù)地面臨著嚴(yán)重的威脅。周士第一面在部隊(duì)里開展揭露國民黨頑固派破壞團(tuán)結(jié)、發(fā)動反共內(nèi)戰(zhàn)的陰謀活動，一面積極做好日軍秋季“掃蕩”的備戰(zhàn)工作。

9月1日，日軍五十九旅團(tuán)、獨(dú)立第三混成旅和大批偽軍，瘋狂進(jìn)犯晉綏抗日根據(jù)地。在日偽進(jìn)攻期間，周士第部署軍區(qū)主力部隊(duì)分散在各地，一方面協(xié)助農(nóng)民加緊秋收，免遭日偽搶糧；另一方面尋找有利時(shí)機(jī)，狠狠打擊敵人；并命令各地武工隊(duì)和民兵采取“敵進(jìn)我進(jìn)”的戰(zhàn)術(shù)，趁敵人傾巢而出之際，切斷交通線，襲擊敵據(jù)點(diǎn)。在此戰(zhàn)術(shù)下，日偽“掃蕩”部隊(duì)很快陷入人民戰(zhàn)爭的汪洋大海中，處處被動，疲于奔命。在不斷遭受打擊的情況下，日軍五十九旅團(tuán)主力被迫退回原據(jù)點(diǎn)防守，只留下八十五大隊(duì)繼續(xù)“掃蕩”。

9月27日，日軍八十五大隊(duì)企圖偷襲駐山西興縣的八路軍晉綏軍區(qū)機(jī)關(guān)。周士第得到情報(bào)后，迅速率領(lǐng)軍區(qū)機(jī)關(guān)人員掩護(hù)群眾轉(zhuǎn)移，讓敵人撲了空。敵人不甘心失敗，又向興縣周邊其他地區(qū)“掃蕩”，并于10月4日奔至黃河?xùn)|岸的黑峪口，開炮轟擊八路軍一二跂師駐盤塘的河防部隊(duì)，被八路軍擊退。當(dāng)天傍晚，日軍八十五大隊(duì)又竄至趙家川口村。

周士第從得到的情報(bào)綜合判斷：雖然敵人武器先進(jìn)，且有飛機(jī)隨時(shí)支援，但士氣低落。我軍完全可集中兵力，殲滅這股孤軍深入的敵人。

經(jīng)過充分研究討論后，周士第將他的作戰(zhàn)計(jì)劃迅速報(bào)告給中共中央晉綏分局和賀龍。分局和賀龍當(dāng)即批示同意。周士第和八路軍晉綏軍區(qū)領(lǐng)導(dǎo)決定：在這股日偽軍撤退時(shí)，集中近7個(gè)團(tuán)的優(yōu)勢兵力，在民兵、游擊隊(duì)的配合下，采取沿途分段伏擊、逐步消耗的策略，在運(yùn)動戰(zhàn)中最終全殲這股敵人。

10月5日，這股日偽軍由趙家川口出發(fā)，行至小善畔村附近，和在高地上的八路軍三個(gè)連發(fā)生戰(zhàn)斗。八路軍的三個(gè)連按照周士第的部署，逐步后撤，誘敵深入，將敵人誘到事前設(shè)下的伏擊圈，對敵實(shí)行第一次包圍。在民兵和群眾的支援下，八路軍打退了日偽軍在飛機(jī)配合下的3次突圍。

戰(zhàn)斗中，周士第見敵人瘋狂炮擊西北，立即判斷敵人想聲東擊西，于是連夜派出部隊(duì)急行軍趕到戰(zhàn)場東南，又組成兩個(gè)伏擊圈。6月2日夜9時(shí)，大股敵人果然向東南突圍，隨后在劉家莊到康寧一帶陷入八路軍的第二次包圍中。

雙方激戰(zhàn)至8日凌晨，日軍開始向南突圍，但逃竄至白文鎮(zhèn)附近，遭民兵阻擊，在周士第指揮下，八路軍各團(tuán)火速趕到，隨即在花子村附近把敵人第三次包圍起來。戰(zhàn)斗至黃昏時(shí)分，日偽殘部東逃至興縣東南20公里的甄家莊，爬上東南的高山固守，被追擊而來的八路軍第四次包圍。敵機(jī)前來空投補(bǔ)給，但由于地形所限，補(bǔ)給物資多半不能落到敵人手里，反而被八路軍繳獲。周士第根據(jù)戰(zhàn)場形勢判斷：敵人已被消耗過半，但困獸猶斗，為了減少己方的傷亡，決定“網(wǎng)開一面”，在其出逃過程中尋機(jī)殲滅敵人。他根據(jù)地形，再次準(zhǔn)確判斷日軍可能突圍的路線，并立即命令部隊(duì)事先沿途設(shè)伏，并部署武工隊(duì)在周邊破壞公路，騷擾敵據(jù)點(diǎn)，使其他敵人無法前來增援。

一切就緒后，周士第命令三面圍攻，僅放開東面誘敵出逃。日偽已連續(xù)被八路軍圍攻了三晝夜，見“有機(jī)可乘”，立即向東突圍，剛剛逃至鄭家岔喘息的時(shí)候，卻發(fā)現(xiàn)被團(tuán)團(tuán)圍困在山溝里，陷入了八路軍的第五個(gè)包圍圈。敵人發(fā)動5次突圍，均被擊退。周士第見時(shí)機(jī)成熟，指揮八路軍、游擊隊(duì)、民兵發(fā)起全面進(jìn)攻，戰(zhàn)至11日拂曉，除幾個(gè)和部隊(duì)走散的敵人逃走外，這股日偽軍被八路軍全殲。

周士第指揮的此次戰(zhàn)斗，創(chuàng)造了八路軍用步槍殲滅陸、空軍配合之?dāng)车膽?zhàn)例。日軍準(zhǔn)備進(jìn)行兩個(gè)月的大“掃蕩”計(jì)劃，僅40天就被晉綏軍民粉碎。