在“文化大革命”中，周恩來原來甚為健康的身體，由於長期過度緊張、繁忙而急劇衰弱，除得了心髒病而且屢次發作外，1972年5月，醫護人員發現周恩來小便中紅血球增加，並有細胞變異現象。經專家會診，確診為膀胱癌。11月，醫生向葉劍英、李先念等報告，認為周恩來要特別注意休息。這個報告送給了毛澤東，毛澤東閱後批道：應當休息、節勞，不可大意。但周恩來萬機待理，不可能真正地得到休息。因治療一再延宕，到1973年1月5日，大量便血。3月9日，周恩來主持中央政治局會議，根據毛澤東的意見，說明了便血的情況，向政治局請假兩星期，並提議在自己去玉泉山檢查身體期間，政治局會議和報告由葉劍英主持和簽署，還建議抓緊解放幹部的工作。10日，他致信毛澤東報告會議情況，毛澤東批：同意。3月10日到24日，周恩來到玉泉山進行檢查治療。10日晚，做了一次手術。4月9日，周恩來專門約鄧小平、卓琳談話。5月20日，他主持中央工作會議全體會議，在講話中特別表示歡迎鄧小平出席這次會議，說對於中央恢複鄧小平職務，“絕大多數同誌都是滿意的”。12月12日，周恩來到毛澤東處參加中央政治局會議，毛澤東在談話中提出八大軍區司令員對調和鄧小平參加軍委任總參謀長的建議。接著，周恩來忙於八大軍區司令員對調的部署，主持中央政治局會議和陪同毛澤東接見參加中央軍委會議的人員。22日，他起草了中共中央關於決定鄧小平為中央政治局委員、中央軍委委員並參加中央和軍委領導工作的通知，並於當日主持中央政治局會議通過。1974年1月18日，周恩來主持中央政治局會議。會議提議軍委成立由葉劍英牽頭，有王洪文、張春橋、鄧小平、陳錫聯參加的五人小組，討論處理軍委的大事和緊急作戰事項。20日，中央政治局會議正式向毛澤東提出這一建議，毛澤東表示同意。至此，鄧小平接替周恩來的格局已經有了初步的安排。
1974年年初，周恩來病情加重。1月20日後，連續作治療。24日，江青一夥背著毛澤東召開在京軍隊單位批林批孔動員大會，25日，又召開中央直屬機關和國家機關批林批孔大會。這兩次大會，經過江青一夥策劃，遲群、謝靜宜等作了煽動性講話，把矛頭直指周恩來和中央其他領導同誌。他們以批“周公”、批“宰相”來影射攻擊周恩來。4月底以後，周恩來病情日益加重。6月1日，他又做了一次大手術，此後就住在305醫院裏了。6月14日，江青召集會議，授意她的寫作班子“要批現代的儒”，說“寫老的儒有問題，不然隻是劉、林”，對“現在的儒應寫文章”。10月17日，江青等在中共中央政治局會議上又利用“風慶輪”事件圍攻鄧小平，矛頭指向周恩來。11月上旬，周恩來在醫院裏分三批約中央政治局成員開會，解決了“風慶輪”事件問題。
1974年年底，周恩來不顧病情的發展，為了主持開好中共十屆二中全會和第四屆人民代表大會第一次會議，仍然緊張地工作著。由於得到毛澤東的支持，他挫敗了江青反革命集團篡黨奪權的陰謀。在四屆人大的人事安排上，江青、張春橋等人竭力爭取要把他們的親信安排在文化、教育、體委三個部委的領導崗位。周恩來約李先念等交換意見，感到教育部關係重大，確定以周榮鑫掌管為宜。12月23日，周恩來以重病之身，還遠行千裏，飛赴長沙，向毛澤東彙報四屆人大的籌備情況。這一次，還同毛澤東單獨談了話，提到懷疑江青、張春橋曆史上有嚴重政治問題的事情，毛澤東表示已經知道了。在談話中，毛澤東稱讚鄧小平“人才難得，政治思想強”，提議中共十屆二中全會增補他為中央副主席，還對周恩來說，不要老悶在醫院裏，可以出來走走，告訴鄧小平在京主持工作。這次，周恩來回到北京下飛機前，堅持叫秘書攙著到駕駛艙看望機組人員，同他們一一握手告別。這是他最後一次乘坐飛機。這時，他的癌細胞已經轉移到腸部。
1975年1月8日到10日，周恩來親自主持中共十屆二中全會，通過了四屆人大的人事安排，並選舉鄧小平為中共中央副主席、中央政治局常委。“四人幫”組閣奪權的陰謀受到沉重打擊。13日至17日，第四屆全國人民代表大會第一次會議在北京召開。周恩來在會上作《政府工作報告》，重申了要實現農業、工業、國防和科學技術現代化的目標。會議選出了以朱德為委員長的人大常委會組成人員，任命周恩來為總理，鄧小平等為副總理。1月下旬，周恩來連日在醫院裏主持中央政治局會議，討論國務院副總理的分工問題。他囑咐國務院核心小組副組長吳慶彤轉告鄧小平，請鄧小平把分工列出，“他不好講，由我講”。2月1日，他主持了由總理、副總理13人出席和中央軍委副主席葉劍英、科學院院長郭沫若列席的國務院常務會議，審定了國務院副總理的分工。同日，召開國務院各部、委負責人會議，傳達了毛澤東對鄧小平“人才難得，政治思想強”的評語，說：“將來這樣的會，請小平同誌主持。”第二天，他寫信給毛澤東，談了副總理的分工情況，說：“鄧小平主管外事，在我治病療養期間，代總理主持會議和呈批主要文件。”毛澤東圈閱了這封信。