突然，一颗炮弹落在附近。周恩来立刻卧倒，全身溅满了泥灰，他毫不在意，掸去身上的泥灰，继续帮助整修工事。一个纠察队员对他说：总指挥，这里是前线，你的指挥位置不在这里。周恩来笑着说：当指挥的怎么能不来？你们不是同样很危险吗？
为了推翻帝国主义和北洋军阀吴佩孚、孙传芳、张作霖的反动统治，在国共合作下，并得到苏联的帮助，1926年7月9日，国民革命军正式出师北伐，很快进展到长江下游流域。
1926年10月和1927年2月，为配合国民革命军出师北伐，上海工人阶级在中国共产党上海区委（亦称江浙区委）的领导下，曾先后举行了两次武装起义，由于准备工作不充分和时机不成熟等原因，都暂时失败了。具有光荣革命传统的上海工人阶级，尽管受到一些曲折和牺牲，并没有气馁，仍然拿出勇气，在积极准备的基础上，争取第三次武装起义。江浙区委罗亦农、赵世炎等，积极支持工人的正义要求，同意举行第三次武装起义，并报告了中央。
当时有人认为举行武装起义既无必要又无把握，担心因此而刺激帝国主义和中国买办资产阶级，引起帝国主义的武装干涉。在此之前被从广东调到中共中央工作、担任中央军委委员的周恩来完全站在上海工人阶级一边，针锋相对地指出，举行第三次武装起义既有必要又有把握，我们的起义是革命，是为了建立上海市民代表政权和建立工人武装，夺取军阀的武装以武装自己，是挽救国民革命危机的重要手段。我们工人现有的武器虽少，但有80万产业工人和广大上海市民的支持，有很多觉悟高的工人纠察队员，只要把准备工作做好，是肯定可以取胜的。至于对帝国主义和中国买办资产阶级来说，没有什么刺激不刺激的问题，你刺激他，他们是反共的，不刺激他，也还是反共的。经过一场激烈的辩论，中央多数同志赞成周恩来的意见，建议由他亲自指挥起义，务获胜利。
周恩来当时任黄埔军校的政治部主任，又是国民革命第一军的政治部主任，参加过两次东征的指挥和平息过广州反动商团暴动，是我党最有实践经验的军事指挥员之一。
中央会议后，周恩来就来到了江浙区委，参与领导起义的准备工作。他亲自参加上海各区区委书记联席会议，了解各区工人纠察队的力量配备，研究敌军警的据点和力量分布情况，并制定了第三次武装起义的部署方案。
3月中旬，原驻上海的军阀李宝章部悄悄撤走，由直鲁联军的毕庶澄部接防。当时，北伐军的东路军已过松江，紧逼上海，毕庶澄部士气低落，纪律松弛。周恩来抓住这一有利时机，指出武装起义的时机已经成熟。江浙区委根据周恩来的建议，决定在3月21日举行第三次武装起义。
3月21日，天气晴朗，和煦的阳光普照大地，到处充满一片生机。中午12时，工厂和轮船的汽笛齐鸣，宣告上海80万产业工人总罢工和第三次武装起义正式开始了。顿时，租界上的劳动大众潮涌般地向华界指定地点集合，华界的武装工人纠察队则带着红袖章，雄赳赳、气昂昂地走上战斗岗位。
起义的行动，分南市、闸北、虹口、浦东、沪西、沪东、吴淞七个区。参加行动的工人纠察队队员有5000多人。前线总指挥部设立在宝山路横浜桥南的商务印书馆职工医院内。在前线负责指挥的是周恩来和赵世炎。
当天清晨，周恩来和赵世炎进入总指挥部。据当时在场的中共闸北区委委员黄澄镜（逸峰）回忆：“周恩来同志身穿一身灰布棉袍，头戴一顶鸭舌帽，围了一条深灰色围巾，西装裤子黑皮鞋，完全是一个地下工作者的形象。”他在总指挥部里，和赵世炎一道，一会儿伏在桌子上，对着上海市区地图，边指划边商量，一会儿和外面进来的联络员交谈，听取报告，指挥行动。他还亲临现场，往返于火车站、东方图书馆、商务印书馆三路指挥战斗。
起义发展得十分迅速。当时毕庶澄部的鲁军为了便于撤退，主要集中于火车站所在的闸北区。所以，其他地区的战斗都比较顺利。南市最早打下，工人纠察队先取下警察局，再占领高昌庙和南火车站，并缴获了警察的枪支。浦东在两小时内也拿了下来。吴淞由铁路工人和纱厂工人占领。他们缴获了大量武器，武装徒手的工人纠察队员。到下午4时，闸北以外的各区先后取得胜利。
这时，斗争焦点集中到敌军兵力厚集的闸北区。敌军在闸北共设有20多个据点，其中主要的是：北火车站，商务印书馆俱乐部（东方图书馆），湖州会馆和三处警察署。当天4时前，湖州会馆和三处警察署的敌人先被解决。周恩来把指挥机构迁到第五区警察署。
4时左右，吴淞部委送来一个重要情报：敌军毕庶澄部500人左右，全副武装，并有轻机枪数挺，于早晨乘一列铁棚车开往吴淞，准备从海上逃跑；列车到达吴淞附近时，发现吴淞已被工人纠察队占领，掉头返回上海。周恩来接到这个情报后，立刻召集会议研究。在会上，他当机立断地说：“不能让这一列车进入上海。如让他进来，第一，会冲破我们的虬江路防线；第二，列车上的武装进入北站（按：指北火车站），将增加我们攻击的困难。”他指着地图宣布：选择接近市区的天通庵车站附近组织伏击。并亲自率领工人纠察队第一中队和第四中队一个小队到天通庵勘察地形，布置兵力。他经过仔细观察后，找到住在那里的老扳道工鲁大爷和他的儿子把路轨的道钉拔掉，又将队伍分为两支，选择有利地形，埋伏在铁路两侧。
黄昏前后，列车进入伏击圈，火车因道钉被拔而突然出轨翻倒。埋伏在铁路两侧的工人纠察队，立刻以密集火力猛烈射击。列车上的敌人毫无准备，又因车门被关闭反锁，无法打开，只能在窗口抵抗。不久，沪东和虹口的工人纠察队也赶到，投入战斗。天黑后，敌军一部分士兵下了车，坚守待援。周恩来又命令一部分学生纠察队投入战斗，并发动政治攻势，高喊“缴枪不杀”，“赶快投降”。经过一夜战斗，敌军兵心逐渐涣散，火力转弱。到第二天中午，除少数人溜走外，其他400多人挂起白旗，丢出枪支，全部被俘。周恩来命令用缴获的武器弹药来武装徒手的纠察队，并将其中的轻机枪调拨给正在围攻北站的纠察队，以增强战斗力。
东方图书馆是敌人军需处所在地。这里又处在宝山路中段，是总指挥部和北火车站间必经的要道，地理位置十分重要。驻守的敌军虽只有一个排的兵力，但凭借四层楼的钢筋水泥建筑，并配备有两挺轻机枪，子弹充足，易守难攻。起义前，工人纠察队先去察看，已引起敌人注意。总攻一开始，敌军以密集火力顽强扼守。工人纠察队牺牲三人，受伤一人。许多工人急了，准备利用梯子和搭起的桌椅爬越围墙，向里硬冲。这时，周恩来赶到了。他立刻加以制止，说：你们这样上去跳墙，容易暴露，牺牲太大。他细心地察看地形后，决定为了减少伤亡，改用“围而不打”的办法。在它对面的商务印书馆三楼上部署火力，严密监视。见敌人一露头，立刻猛烈射击。并要纠察队在东方图书馆东侧另挖一条一百多米的交通壕，来保护总指挥部同北火车站之间的交通线。他说：我们打下北站，这个孤立的据点，敌人自会放弃的。
这样坚持了一天。到天通庵战斗结束后，原在那里参加战斗的工人纠察队开到东方图书馆来。指挥部用广播喇叭宣传天通庵的战斗已经结束，劝告守军投降，否则要用炸药爆破了。下午4时半，敌军用白毛巾扎在竹竿上伸出墙外，表示投降，并停止射击。工人纠察队由于缺乏经验，没有懂得对方悬挂白旗的含义，仍在继续进攻，又牺牲了6个人。这时，周恩来又来了。他立刻命令停止战斗，接受对方投降。总指挥部随着也迁入东方图书馆。
这时，敌人在上海只剩下最后一个、也是最强固的据点——北火车站。敌军在这里的守备力量很强。北站的屋顶上设有重机枪阵地。西面铁路上停着白俄雇佣军的装甲火车，配备有迫击炮两门。在宝山路和河南北路交界处，还有帝国主义租界当局设下的重机枪阵地。周恩来在起义队伍占领第五区警察署后，就开始指挥对北站的围攻。为了尽可能减少伤亡，他作了周密的部署，在虬江路到北站间修起三道防御工事，以便逐步接近并包围敌人。黄昏后，敌人的炮火射击，引起宝山路东侧的居民住屋着火。火借着风势，延烧开来。居民扶老携幼，纷纷抢衣物，一片号哭声。周恩来考虑到居民的安全和敌人可能乘机出击，立即赶到现场，一方面组织工人救火，帮助居民抢救财产，有秩序地转移，另一方面加强前线火力配备，严密监视敌人的动向。果然，敌军乘这个机会发动出击，准备突围，工人纠察队被迫后退。在这千钧一发的时刻，周恩来亲自指挥一支突击队冲上去，会合前线纠察队猛烈回击，把敌人打回北站，夺回了防御工事。在火力掩护下，救火工作也顺利地完成了。
第二天，周恩来又到前沿检查工事，并同纠察队员们一起扛木料，修工事。突然，一颗炮弹落在附近。周恩来立刻卧倒，全身溅满了泥灰。他毫不在意，掸去身上的泥灰，继续帮助整修工事。一个纠察队员对他说：总指挥，这里是前线，你的指挥位置不在这里。周恩来笑着说：当指挥的怎么能不来？你们不是同样很危险吗？
周恩来就是这样越是到关键时刻，越要亲自到第一线直接观察和指挥。
22日下午，毕庶澄看到大势已去，悄悄地换上便服，逃进租界。敌人的残余部队军心涣散，已近土崩瓦解。5时，按照总指挥部发出的紧急通知，沪东、沪西、闸北的工人纠察队分三路到虬江路宝山路口集合。队伍会合时，周恩来站在三岔路口的高地上，面对散去的硝烟，先向大家通报了各区敌人已先后被消灭的情况，接着抬高嗓门说：现在敌人2000多人集中在这里，被包围了，逃不掉了！他们坐火车也不行，因为火车头早开走了。若想从吴淞口出去也不行，因为天通庵的敌人也被我们解决了。他最后向全体纠察队员下了发动总攻的命令，要求在6时以前攻占北站，结束战斗。各路纠察队员听了周恩来的一番话士气高涨，立刻向北站发动猛攻。6时，敌人的最后据点——北火车站被攻下了。当天，上海人民代表会议选出了由共产党人罗亦农、汪寿华等，以及钮永建、杨杏佛、虞洽卿、王晓籁等组成的上海特别市临时市政府。
经过连续30小时的战斗，上海工人第三次武装起义终于取得辉煌的胜利。开始时虽只有5000多名工人纠察队员，150杆破旧枪支和少量手榴弹，但由于周恩来等起义指挥人员事前作了周密的部署和准备，包括军事训练和武器补充，又抓住有利时机坚决果断地发动起义，不断夺取敌人的武器来武装自己（前后共缴获步枪3000多支），有计划地扩大胜利成果，终于打败5000名反动军警，依靠工人阶级自己的力量解放了上海。
上海是帝国主义侵略中国的中心，也是中国最大的经济和工业中心。上海起义的胜利，是对帝国主义和军阀的反动统治的严重打击，充分表现了中国工人阶级的力量。这是中国革命史上的光辉一页，也是世界工人阶级武装起义史上有数的成功记录之一。作为这次起义的总指挥，周恩来坚决果断、细致周密、从容沉着、指挥若定的领导才能得到了充分的展现。