祖先为卷（今河南原阳西南）人，后徙居沛（今江苏沛县）。早年以织薄曲（蚕具）为生，常以吹箫助人料理丧事。秦二世元年（前209）九月，随同刘邦起兵于沛，为中涓。在推翻秦王朝、楚汉战争和汉初平定异姓诸侯王叛乱的过程中，周勃统率主力部队，经常为禁旅前锋，功勋卓著。刘邦称帝后，周勃受封为绛侯，食邑8180户，先后任太尉、相国。

周勃为人质朴，不善言词。汉高祖刘邦临死前，吕后询问丞相人选。高祖曾说，周勃重厚少文，将来安定刘氏天下的一定是他，可以任为太尉。高祖死后，周勃以列侯事惠帝。惠帝六年（前189）任为太尉。吕后死后，诸吕秉权，危及刘姓统治。周勃与丞相陈平合谋，联络朱虚侯刘章等宗室重臣，先用计谋解除了吕禄的兵权，争取了北军；又消灭了掌握南军、占据未央宫作乱的吕产，平定了诸吕之乱，并迎立代王为帝（即汉文帝刘恒），对汉初政治安定起了重大作用。

文帝即位后，周勃为右丞相，位在左丞相陈平之上，但他不熟悉丞相职守。文帝曾询问全国一岁决狱和钱谷出入的数目，他无言以对。文帝很不满意，周勃只好称病辞职，由陈平专为丞相。不久，陈平死，周勃复为丞相。岁余，又被罢免，遣归封国。周勃怕文帝杀他，在封国时经常身穿甲胄，令家人执持兵器。有人告发他企图谋反，结果被廷尉逮捕下狱。因周勃长子胜之的妻子是文帝的女儿，加以薄昭在薄太后处疏通，得以赦免，复爵邑就国，但未再受重用。文帝十一年（前169）死，谥武侯。