1939年10月，任八路军野战政治部组织部部长兼军法处处长，参加百团大战。百团大战后，率野战政治部巡视团到冀南和冀鲁豫抗日根据地。1942年夏，周桓回太行区抗日根据地，参加整风运动和抗日根据地的建设。
第二次国共内战期间.第二次国共内战时期到东北，历任东北军政学校政治委员、东北民主联军政治部副主任兼联络部部长和中共长春市委书记。1948年，出任东北军区政治部副主任兼后勤部政治部主任，参与组建东北二线兵团。1948年9月辽沈战役期间，周桓参与争取长春国军曾泽生部倒戈等工作，并促成郑洞