蒋介石对周佛海也委以重任。从1927年到1937年，周佛海跟随蒋介石青云直上，可谓红极一时，先后担任国民党中央政治委员会委员，民众训练部部长，蒋介石侍从室副主任兼第五组组长，国民党宣传部副部长、代理部长等职，为蒋介石打内战、搞独裁出谋划策，成为蒋身边的“文胆”之一。这样一位心腹，蒋介石做梦也没想到周佛海后来会背叛他。

日本发动全面侵华战争后，周佛海基于抗日必败的论调，与汪精卫出于共同的利益需要和政治主张而“物以类聚”了。周佛海抱着强烈的政治野心投靠汪精卫，奉汪精卫为“精神领袖”。在汪伪营垒中，他通过金钱收买和封官许愿等手段，发展和培植亲信，还搞起特务组织并亲自担任头目。

1940年3月30日，汪伪国民政府在南京粉墨登场。周佛海是汪伪政权的主要组织者，也是握有实权的大汉奸，占据了伪财政部长、伪军事委员会副委员长、伪中央政治委员会秘书长、伪中央储备银行总裁等要职。他还向汪清卫表白忠心:“生死相共，患难相随。”汪精卫死后，周佛海又任伪行政院副院长兼上海市市长，与陈公博结合得更紧了。

但汉奸毕竟是汉奸。随机应变，反复无常，阴险狡诈这些特性在周佛海身上表现得淋漓尽致，并贯穿一生。在抗战中期，周佛海嗅出日本人不行了，就抛弃了曾向汪精卫作过的信誓旦旦的“表白”和“保证”，厚颜无耻地倒向了蒋介石，拜倒在蒋介石的脚下。1942年10月，他背着汪精卫，派人潜往重庆，为重庆方面输送了不少重要情报，还安排重庆的特工人员设计杀死了汪伪政权的特务头子李士群。后又利用自己上海市长的身份，在上海及杭州一带部署军事力量，阻止共产党等革命势力进入上海。日本投降在即，南京伪政权被迫解散，周佛海向蒋介石再表忠心:“职与其死在共产党之手，宁愿死在主席之前。”这种种“杰作”，使周佛海赢得了蒋介石的嘉奖，并被任命为军事委员会上海行动总指挥。这样，周佛海摇身一变，从臭名昭著的大汉奸变成了国民党的接收大员。

一个来月后，在全国人民强烈要求“快速严惩汉奸”的压力下，周佛海被软禁在重庆，后来又被移交南京监狱。1946年11月7日，国民党南京高等法院判处周佛海死刑。由于蒋介石念其为重庆方面做过“贡献”，出面干预，才被减为无期徒刑，保住了脑袋。1948年2月28日，周佛海因心脏病发作暴死在南京老虎桥监狱。