即赐他“五大夫”爵位——这是秦朝军功爵制中的第九级，对一个普通士兵来说，已是天大的荣耀。
此后，周勃跟着刘邦转战各地，攻蒙县、取虞县、破东阿、击濮阳，每一场仗都冲在最前面。司马迁在《史记》里写他这段经历，连用了三个“先登”、三个“最”——“先登”是率先登城，“最”是战功第一，可见他有多勇猛。
公元前207年，刘邦采纳张良的建议，率军西进入关，目标是秦朝的都城咸阳，秦军精锐都在关中，每一座城池都像铜墙铁壁。攻打长社县时，秦军在城上布置了弓弩手，箭雨密得能挡住阳光。周勃见汉军攻不上去，便对刘邦说：“沛公，我带一队人从侧面的小路上山，绕到城后偷袭，您在正面吸引秦军注意力！”刘邦点头同意。
周勃带着几十名士兵，趁着夜色，沿着陡峭的山路往上爬。山路湿滑，好几个人摔了下去，他自己也磕破了膝盖，可他没回头，硬是带着人绕到了城后。城后的秦军防备薄弱，周勃一声令下，士兵们突然冲出来，杀了秦军一个措手不及。正面的汉军趁机攻城，很快就拿下了长社。
此后，周勃又率军攻破颍阳、缑氏，切断了黄河渡口，阻止秦军援兵西进。在蓝田之战中，他遇到了秦朝最后的精锐——蓝田秦军。这支军队都是身经百战的老兵，装备精良，战斗力极强。汉军打了几次都败了，士气低落。周勃看着士兵们垂头丧气的样子，站在阵前大声说：“兄弟们，咸阳就在前面，攻破蓝田，咱们就能灭秦！秦兵也是人，他们也怕死，咱们再冲一次，一定能赢！”
他亲自带队冲锋，手里的环首刀砍得卷了刃，身上的铠甲被鲜血染透，却依旧往前冲。汉军士兵被他的勇气感染，也纷纷呐喊着冲上去。这场仗打了整整一天一夜，汉军终于打败了蓝田秦军，打通了通往咸阳的道路。
公元前207年十月，刘邦率军进入咸阳，秦王子婴捧着玉玺投降，秦朝灭亡。那一刻，周勃站在咸阳宫前，看着巍峨的宫殿，想起自己当年在沛县织箔吹箫的日子，恍如隔世。
秦朝灭了，可天下并未太平。项羽率领四十万大军进入咸阳，杀了秦王子婴，烧了咸阳宫，还自封为“西楚霸王”，分封十八路诸侯。刘邦被封为“汉王”，要去偏远的巴蜀、汉中之地。周勃跟着刘邦来到汉中。
刘邦是个野心很大的人，他不想只做个汉王，他想争夺天下。韩信向他提出“还定三秦”的计策，刘邦大喜，当即决定率军东出。周勃被拜为“将军”，跟着韩信一起攻打三秦（雍王章邯、塞王司马欣、翟王董翳）。
攻打槐里县时，章邯的军队据城死守，汉军攻了三天都没攻下来。周勃仔细观察地形，发现槐里县城墙西侧有一处缺口，是之前打仗时留下的，只是被秦军用沙袋堵上了。他对韩信说：“韩将军，我带一队人夜里去挖开缺口，您在正面攻城，咱们里应外合！”韩信同意了。
当天夜里，周勃带着几百名士兵，悄悄摸到城墙西侧，用铁锹挖沙袋。秦军的哨兵听到动静，大喊起来，箭雨立刻射了过来。周勃让士兵们用盾牌挡住箭雨，继续挖。很快，缺口被挖开了，周勃带着士兵冲了进去，杀向秦军的大营。秦军没想到汉军会从这里冲进来，顿时乱了阵脚。正面的韩信趁机攻城，很快就拿下了槐里。
此后，周勃跟着韩信平定三秦，