1936年底伤愈后到达延安，先后担任抗日军政大学第二科科长，陕北武装部长。
1937年8月，抗日战争爆发后，出席中共中央在陕北洛川举行的政治局扩大会议，会后任八路军115师343旅副旅长，率部在平型关右侧担任主攻任务，重创日军板垣师团。
1937年任四分区司令员。周建屏领导发动群众，建立抗日武装，改造乡村政权，收编地方武装“联庄会”。
几个月的时间，四分区发展了相当于3个团的区队，粉碎了敌人数次“扫荡”和“蚕食”。
在温塘战斗中，周建屏率部经过一天一夜的激战，歼灭日、伪军1000多人，使四分区后来成为晋察冀边区的模范抗日根据地。
1937年11月，以聂荣臻为司令员兼政治委员的晋察冀军区成立，周建屏任晋察冀军区四分区司令员，并奉聂荣臻司令员的命令，扩大整编部队。
不久，他率部参加晋察冀根据地粉碎日军“八路围攻”的战斗。
1938年四分区司令部迁至太行山东麓的河北平山县小觉镇。
周建屏率领分区机关和部队，在日伪军残酷的“封锁”、“分割”、“扫荡”和“蚕食”的极端困难条件下，宣传群众，支持群众开展减租减息，帮助地方发展生产，建立抗日民主政权，动员群众踊跃参军，建立地方抗日武装，壮大主力部队，开创和巩固了模范抗日根据地。
周建屏戎马倥偬30年，先后七次负伤。由于艰苦的战争环境和频繁的转战、作战，1938年6月13日，周建屏因旧伤复发不治去世，享年47岁。