1910年9月20日生于浙江杭州市。

1933年7月，广州中山大学理工学院地理系毕业。

1933年9月—1939年12月(23-29岁)：先后在陆地测量总局边疆历史地图编纂委员会任技士；在国立编译馆任编译，编著出版了《日本地理大纲》；在广西大学文史地科任副教授。

1940年4月—1949年4月(30－39岁)：1940年4月，转入重庆北碚，协助黄国璋先生筹建中国第一个地理研究机构，中国地理研究所于同年9月正式成立。周立三负责人生地理组资料室工作；1943年在侯学焘、陈泗桥等人的配合下，负责《四川经济地图集》的编制工作。1944年参加国父实业计划“西北科学考察团”，到甘肃河西走廊和新疆等地,作了历时半年的科学检查，并发表了“哈密——一个典型沙漠沃州”等多篇论文；1946年到美国威斯康辛州大学研究生院进修，1947年回国，在中国地理研究所晋升为研究员；1949年解放前夕，中国地理研究所部分人员搬迁广州，留下一批科研骨干成立由周立三负责的南京留守工作站，周立三与当时地下党员施雅风领导了“反搬迁搞应变”斗争，成功地抵制了国民党当局欲将该所全部迁往广州和台湾的图谋，为保存新中国地理研究机构和骨干力量做出了历史性的贡献。

1949年5月—1958年(39-48岁)：协助竺可桢筹备中国科学院地理研究所：1949年11月，周立三与吴传钧、高泳源等合作编辑的《苏联新图志》由上海亚光与地学社出版。1950年6月下旬中国科学院地理所筹委会在北京召开了第一次会议，决定分为地理、地图和大地测量三个组，第一组普通地理由周立三主持。由于筹委会主任竺老在北京，副主任黄秉维仍在上海华东区工业部任职，故暂由周立三负责处理地理所筹委会的日常事务。1950年10月30日，加入中国民主同盟。1952年10月12日，竺可桢召开地理学第一次代表大会筹备会议，决定由孙敬之、周立三、施雅风负责筹备工作。1954年1月院务会议通过决定，中国科学院地理研究所成立，黄秉维任所长，周立三任副所长、研究员。主要作了以下几项工作：主持完成“中国农业区划的初步意见”，将全国划分为6个农业地带(即中南、华中、华北、东北、西部和海洋)以及16个农业区；主编完成《甘青农牧交错地区农业区划研究》；主持新疆综合考察队并担任队长，考察历时5年，取得丰硕成果，为新疆资源开发和经济建设做出了贡献。

1958年—1978年3月(48－68岁)：1958年，中国科学院地理研究所迁北京，留下部分科技人员组建成“中国科学院南京地理研究所”任研究员，1959年6月20日，正式成立“中国科学院南京地理研究所”，7月9日，任命任美锷兼任所长，周立三为副所长；1964年11月，当选为第三届全国人民代表；在“文革”期间，周立三被停职，受到不公正待遇和冲击，他的研究工作也受到批判而中断，直至1978年2月，被推选为第五届全国政协委员。这期间主要发表“试论农业区域的形成演变，内部结构及其区划体系”、“论省级农业区划的几个问题”、主持编制《江苏省农业地图集》等论文与专著。

1978年3月—1983年(68－73岁)：1978年3月正式恢复所长、所学术委员会主任等职务；1980年7月，被接纳为中共党员，11月被选为中国科学院学部委员(院士)；1980－1981年，两次被评为“江苏省劳动模范”；1983年9月，担任全国农业区划委员会科学顾问组副组长。1979年7月至1980年，组织与主持《中国综合农业区划》研究与专著编写，并再次主持江苏省农业区划(修编)，历时2年，分获1985年“国家科技进步一等奖”和“全国农业区划委员会一等奖”。

1984年—1998年(74－88岁)：1984年3月，担任南京地理与湖泊研究所名誉所长、学术委员会主任、所学位委员会主任等职务。本时期主要成就：主编完成《关于新疆农业发展若干建议》一书，主编完成《中华人民共和国国家农业地图集》，并获1989年中国科学院科技进步一等奖和1991年国家科技进步二等奖；1986年3月获竺可桢野外科学工作奖；1988年3月被推选为第七届全国政协委员；1987年受国务院农村发展研究中心的委托领衔承担了国情分析研究，1989年10月中国科学院国情分析研究小组发表了第1号国情报告《生存与发展》，1990年中国科学院将国情分析研究列入院长基金特别支持项目，予以长期资助；1992年12月主持发表第2号国情报告《开源与节约——中国自然资源与人力资源的潜力与对策》、1994年发表第3号国情报告《城市与乡村——中国城乡矛盾与协调发展》、1995年发表第4号国情报告《机遇与挑战——中国走向21世纪的经济发展目标和基本发展战略研究》；中国国情分析(1-4号报告)获1997年中国科学院科技进步一等奖。1997年获(香港)何梁何利基金地球科学奖。

主要著作目录(建国后)

“关于划分中国经济区域的两个原则性问题的思考”，光明日报，1955年。

《甘青农牧交错地区农业区划初步研究》(与人合作)，科学出版社，1958年。

《新疆维吾尔自治区经济地理》(与人合作)，科学出版社，1963年。

“试论农业区域的形成、内部结构及其区划体系”，地理学报，第30卷第1期，1964年。

《新疆综合考察的方法与经验》(与人合作)，科学出版社，1964年。

《江苏农业地理》(与人合作)，江苏科技出版社，1979年。

《中国综合农业区划》(主持)，农业出版社，1981年。

“应辩证地规划长江流域的经济开发”，《科学报》，1988年7月8日。

《中华人民共和国国家农业地图集》(主编)，地图出版社，1989年。

“人口、资源、环境与农业发展——从国情分析看农村发展战略”(为第1号国情报告的雏形)，农业区划，第二期，1989年。

《中国国情研究(1－4号国情报告)》(主持)，科学出版社，1989年—1995年。

《中国农业区划的理论与实践》，中国科学技术大学出版社，1993年。

《中国农业地理》(主编)，科学出版社，2000年。