这时，掌握南军的吕产不知吕禄已经交出北军，他得到郎中令贾寿从齐国带回的消息后，立即前往未央宫准备发动政变。这时陈平派刘章赶往北军协助周勃，周 勃先派曹窋快去通知宫廷卫尉，不得放吕产进入未央宫殿门，又派刘章带领一千多士兵入宫去保卫少帝。刘章带兵来到未央宫前，只见吕产正在殿外徘徊，刘章下令 追杀，吕产逃到郎中府吏厕所内，被杀。刘章又从未央宫赶往长乐宫，杀死长乐宫卫尉吕更始。刘章赶回北军向周勃复命，周勃起身向刘章拜谢说，我最担心的就是 吕产，你把他杀了，天下定矣！周勃控制了宫廷中枢，也就控制住了全局。他下令搜捕诸吕，将诸吕集团彻底消灭。
　　
　　经大臣们商议，应废掉汉惠帝假子少帝，改立新帝。齐王刘襄是刘邦长孙，又是最早发兵攻吕，功最大，有人主张立他为帝。但有人提出，刘襄的母亲也很凶 悍，要接受吕后的教训。商议结果，刘邦的四子代王刘恒，是刘邦在世儿子中年龄最大的一位，为人忠厚。都说立长为顺，就立他。刘恒的母亲薄氏出身寒微，品行 谨良。从帝、母两方面来考虑，都认为立刘恒比较稳妥。于是迎立代王刘恒，是为汉文帝。这时刘章弟刘兴居主动向周勃请战说：“诛诸吕，臣无功，请得除宫。” 要求把驱逐少帝、迎接新帝的任务交给他去完成，周勃说好。刘兴居与太仆滕公一起入宫，滕公对少帝当面宣布：“足下非刘氏，不当立。”随即解除了宫廷禁卫的 兵器，请少帝上车，离开了未央宫。刘、滕两人护了天子专用的皇辇，到代王官邸去迎接新帝刘恒。可是新帝刘恒乘坐皇辇来到未央宫前，殿门口却有十个人持戟把 门，新帝不得入。刘兴居速向太尉周勃报告，周勃一道令下，兵去，新帝遂入。诛灭诸吕的军事行动，周勃是总指挥，立下大功，“文帝即位，以勃为右丞相，赐金 五千斤，邑万户”。
　　
　　但是，在随后的日子里，周勃却进入了他人生达到辉煌顶点之后的尴尬期，心理失衡，进退失据，无所适从。不久就有人来劝周勃说，你灭诸吕、立文帝，居高位、得厚赏，久则必祸。周勃害怕起来，主动向汉文帝辞去了丞相之位。
　　
　　一年后，陈平去世，文帝又重新起用周勃为相。又过了十来个月，可能是汉文帝觉得周勃使用起来不是很顺手吧，就对周勃说，我已下诏，命列侯们去各自封地，有的人不想离开京城。丞相为朕所倚重，希望你带个头，到封地去吧。
　　
　　周勃是刘邦在世时封的绛侯，“乃免相就国”，去了山西绛县。
　　
　　周勃觉得自己已经失去了皇上的信任，从此心里一直很紧张。河东郡郡尉每次巡守各县来到绛县，周勃都以为是来抓他、杀他的，每次都如临大敌，披甲相迎， 并让家里人也都“持兵以见”。其实周勃一生没有做过任何亏心事，他莫名的恐惧感，来源于“自古名将少善终”的心理效应。韩信的军事才能和功勋在周勃之上， 被杀了；彭越被杀了；英布被杀了。现在他觉得汉文帝也不信任他了，他也莫名地紧张起来。
　　
　　有人根据他的“反常”举止，告发他“谋反”。