周德威兵至柏乡，命三百骑兵到梁军营前挑战，王景仁集结全军，列阵出击。周德威且战且退，将梁军引向平原地带，一直战至鄗邑之南，两军都列阵以待决战。李存勖欲开战，周德威道：“梁军轻装远来决战，即使携带干粮，也难以在战斗中进食，不到晡晚便会人饥马乏，士气衰落。我们再趁势攻击，必获全胜。”李存勖遂按兵不动。两军对阵到傍晚时分，梁军饥饿难耐，皆有退意。周德威见时机已到，立即发起猛攻，李存勖也趁机冲击，与周德威两下夹攻，几乎全歼梁军。梁军主将王景仁仅以身免，二百八十余名将校被俘。
卢龙节度使刘守光在幽州称帝，建立燕国，史称桀燕。周德威率三万步骑出兵飞狐口，联合成德军、义武军一同征讨刘守光。
周德威夺取涿州，收降刺史刘知温，进围幽州。刘守光命骁将单廷珪率一万精兵出城迎战，与周德威战于城东南龙头岗。单廷珪恃勇轻敌，在战斗中单马追击周德威，所持长枪几乎刺到其脊背。周德威侧身避开，随即挥楇反击，将单廷珪打落马下，而后将其活捉。燕军因主将被擒，溃败而逃，周德威趁机引兵追杀，斩首三千级，俘获李山海等燕军将校五十二人，燕军士气大挫。
周德威先后夺取幽州节度所统辖的顺州、安远军、檀州、卢台军、古北口、居庸关、武州、平州、营州等地。周德威攻破幽州，擒获刘仁恭、刘守光父子，被授为检校侍中、幽州卢龙节度使。
李存勖远征魏州，梁将刘鄩趁虚奔袭太原，周德威当时正镇守幽州，亲率五百骑兵奔赴土门，以阻截梁军。刘鄩行至乐平，却得知太原已有防备，而后方又有晋军追击，只得放弃偷袭计划。他回军东进，欲攻占储粮重地临清。周德威急追至南宫，而后抢先占据临清，挫败了刘鄩企图断绝晋军粮道的计谋。
寿州刺史卢文进叛附契丹，并引契丹军进犯新州，契丹皇帝耶律阿保机亲率三十万大军南下。周德威率军迎战，结果因寡不敌众，被契丹军击败，只得退守幽州。阿保机围攻幽州二百余日，但因周德威昼夜防御，始终未能破城。李嗣源、符存审率晋军来援，终于击退契丹军，解除幽州之围，取得幽州保卫战的胜利。
李存勖调发河东、魏博、幽州等地军队，准备直捣汴州，一举灭梁。由麻家渡渡过黄河，进驻胡柳陂。梁军赶至，周德威对李存勖道：“梁军日夜兼程而来，还没来得及修筑营垒，而我军却已扎好营栅，足以守备。此处距汴州只有两三日路程，梁军家属皆在城中，牵挂家园乃是人之常情，梁军必然死战。我军又是深入敌境，如不用计，恐难保必胜。”建议李存勖按兵不动，自己率骑兵骚扰梁军，使其难以安营，待梁军疲乏不堪时再发动进攻。李存勖不听，率亲军列阵迎战，周德威无奈，只得跟随出战。
李存勖率所部银枪效节都大破梁军，梁将王彦章败退途中，与晋军的辎重部队相遇，辎重部队见到梁军旗帜，惊慌溃散，又闯入幽州军中，引起阵势混乱。晋军自相践踏，周德威控制不住乱势，与儿子一同死于混战之中，李存勖得知后，痛哭道：“丧失良将，都是我的罪责。”
李存勖称帝，建立后唐，是为后唐庄宗，周德威被追赠为太师，与李嗣昭、符存审一同陪享太庙，灵位被放入庄宗庙廷。
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