自动化技术研究所系统研究室工作，曾参与“川汉输气工程”、“30万吨乙烯成套设备自主设计制造工程”等项目。1978年，在中国大陆恢复研究生招生后，周小川考入机械工业部部属研究机构——机械研究院系统工程应用工业的研究生，师从严筱均教授。1982年8月，进入清华大学成为系统工程系首批招收的博士生。在此期间，周一直从事经济体制改革的政策分析及许多经济课题的研究工作。1986年9月，参加莫干山会议，后出任国务院体改方案领导小组成员，并兼任中国经济体制改革研究所副所长，为国务院高层担任智囊；后又兼任国家经济体制改革委员