周处的一位朋友知道他去了必死，对他说道：“你有年迈的母亲需要奉养，可以以这个理由推辞不去。”周处道：“忠孝不能两全，今天就是我以死报效国家的时候。”于是他悲壮上路。
齐万年听说周处来讨伐他了，对属下说：“周处曾经担任新平太守，我了解他，是个能文能武的人才，如果他能全权指挥部队，我们肯定抵挡不住，不过如果他被别人所束缚，那他就要成为我们的俘虏了。”
元康七年（297）正月，齐万年率领七万人驻守梁山（今陕西乾县西北）。司马肜、夏侯骏派周处率领五千士兵前去攻打齐万年，周处道：“军队没有后援的话，必定失败，即使我战死了，那仍然是国家的羞耻。”司马肜、夏侯骏不听，强令他快速攻击。
正月四日，周处与振威将军卢播、雍州刺史解系进军到六陌。周处的将士们还没来得及吃饭，司马肜就催促他们马上进攻。敌我兵力相差悬殊，周处知道这次自己在劫难逃，特吟诗一首：“去去世事已，策马观西戎。藜藿甘梁黍，期之克令终。”吟罢立即率领将士杀入敌阵，从早到晚，斩敌首级数以万计，弓箭用尽了，弓弦折断了，仍不见卢播和解系前来救援。左右劝周处撤退，他按着剑柄大喊道：“今天就是我尽忠之日，有什么可后退的！”奋力血战而死，年六十二岁。