1944年11月，汪精卫病死于日本，根据汪精卫赴日就医前的手谕，周任伪行政院副院长，并主持伪全国经济委员会，兼任伪上海市市长。汪死后，周佛海密电重庆当局，得到同意后才走马上任。周佛海利用所控制的武装，在上海及杭州一带部署军事力量，阻止共产党军队进入上海等地，这正适应了蒋介石在抗战胜利后的需要。

1945年8月15日，日本宣布无条件投降，历时5年4个月的南京汪伪政权解散。周佛海在得到日本投降的消息后，立即向蒋介石拍了急电，表示将他控制的１万多人的武装，以及“完整”的上海奉给蒋介石，并乘机向蒋介石表忠心，“职与其死在共产党之后，宁愿死在主席之前”。周佛海曾是蒋的亲信，为蒋巩固统治立下功劳，因此蒋介石接电报后很高兴，立即嘉奖周佛海。

国民党军事委员会委员长侍从室奉蒋介石之命，任命周佛海为军事委员会上海行动总队总指挥，令其指挥所属税警总团、上海市保安队及警察，以及杭州地区伪十二军等，负责维护上海、杭州一带治安，阻止新四军武装收复沪杭地区。后又应周佛海的请求，任命他为行动总队司令，全权指挥驻沪杭伪军。

1945年9月30日，周佛海随戴笠乘专机到重庆，住在戴笠的私宅白公馆，从此被“软禁”起来。1946年4月，国民党当局先后开始了对汉奸的公开审判，受到审判的缪斌、陈公博、梅思平、褚民谊、林柏生、陈璧君等分别被判以死刑、无期徒刑或有期徒刑，受到应有的惩处。可周佛海未受到审判，引起社会各界的强烈不满。迫于外界的舆论压力，国民党当局不得不逮捕周佛海，把他关押在南京监狱。国民党南京高等法院于1946年10月公审周佛海，同年11月7日，判周佛海以“通谋敌国，图谋反抗本国，处死刑，褫夺公权终身”。后由于杨淑慧及顾祝同、陈立夫、陈果夫等人的出面周旋，蒋介石念其为重庆方面做过“贡献”，1947年3月26日，国民政府下达主席令，特赦周佛海为无期徒刑。

周佛海被特赦无期徒刑后，曾经高兴了一阵，但想到今后终身监禁在这阴森的牢房里，心里也不是滋味。周佛海关在监房的时间一长，回想母亲也病故在息烽监房里，内心日夜恐慌，自己也病痛缠身。1948年初，周佛海心脏病复发，保外就医被拒。同年2月28日，曾经风光一时，权倾一时的周佛海病死于南京老虎桥监狱，终年51岁。周佛海去世后，尸体草草葬于汤山的永安公墓。20世纪80年代，周佛海日本籍妻子新田杏子寄钱给周佛海后人，周佛海的孙子周祖沙利用这笔钱在凉水井镇窝溪村修建了周佛海墓。墓内只有一套国民党军服。整个墓占地面积15平方米，地处偏僻，交通不便，墓侧石圈现已出现裂隙。可叹周佛海一时的风光早已不在，只不过留下一页不光彩的骂名永留史册。