周明镇早期主要研究软体动物，特别是淡水双壳类。其后的数十年科学生涯中，他研究工作的主要领域是古哺乳动物学。长鼻目是周明镇早期研究的哺乳动物门类之一。从1957年起，他研究了我国北方从黑龙江到新疆以及南方各地大量的象化石。20世纪70年代初，他系统重温在中国发现的全部长鼻目化石材料，写出专著《中国的象化石》。

　　河南卢氏中始新世哺乳动物群的研究是周明镇对我国古脊椎动物学的另一项重大贡献。1958—1973年，他共发表11篇论文，详细讨论这一动物群的组成、性质、时代以及每一成员的形态特征和系统关系等问题。这一包括30余种哺乳动物的动物群的大量化石全都是在同一化石坑中发现的，具有精确的时代一致性，国内外始新世哺乳动物研究工作中，常以它作为可靠的对比参照系。周明镇关于始新世哺乳类的研究几乎涉及当时哺乳动物的所有门类和我国的大部分地区。

　　华南红层的研究是周明镇的又一重大贡献。早在1962年，他和杨钟健记述了粤北“红层”中的脊椎动物化石，并得出结论说：“从南雄和始兴两地发现的脊椎动物化石看来，我国南方的红层的时代，可能包括中生代和第三纪初期两个时期的沉积。”以后的事实证明，这一结论是完全正确的。在这篇文章的启示和鼓舞下，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所开展了大规模的、历时10年之久的华南红层考察研究工作，在广东南雄、江西池江、安徽潜山发现了举世瞩目的古新世哺乳动物群。他自己也直接参加了这一项目的野外和室内工作，发表了专著《广东南雄古新世哺乳动物群》。这本专著和他的其他20余篇文章揭示，生活在古新世我国南方的动物，多数是亚洲特有的。此外，他还于1958年研究了新疆发现的我国第一块古新世哺乳动物化石。

　　周明镇在获得国家自然科学奖的陕西蓝田的科研项目中也有一份功劳。在“陕西蓝田新生界”这一总题目下，他负责研究与蓝田人下颌骨一起发现的陈家窝哺乳动物群，还概括研究了公王岭动物群。

　　寻根觅祖、探本溯源几乎是每一位史学研究者的工作癖好，研究生物发展史的周明镇也不例外。他早年研究的多为第四纪和晚第三纪的大动物，以后又研究渐新世和始新世的哺乳动物群，进而研究古新世的哺乳动物群。20世纪80年代后期，他已追溯到中生代，研究白垩纪和侏罗纪的哺乳类，以求了解最早的哺乳类的起源。

　　中生代的哺乳动物化石非常稀罕，发现不易，研究更困难。他研究的蜀兽被认为是20世纪80年代关于哺乳类起源与早期分化研究方面最重要的发现之一。他还研究了新疆等地发现的中生代哺乳动物化石。

　　第四纪地质学和生物地层学是周明镇早期研究工作的一个重要方面，他曾做了大量工作。他1958年发表的《华南第三纪和早更新世哺乳动物群及其对比》一文，一直是华南新生代生物地层研究的重要参考文献。1978年，他与李传夔合作完成一篇关于江苏泗洪下草湾生物地层学的文章，澄清了对所谓“淮河过渡区”的错误认识。

　　当今世界，科学飞速发展，要想在一个学科领域内有所成就，必须把握住国际学术动态。周明镇在引进国外先进的生物学、地质学理论方面始终走在前列，他是介绍板块构造和分支系统学的先驱，曾组织人员编译了《分支系统学译文集》。

　　周明镇在多所大学兼任教授，培养了近20名硕士、博士研究生，编写教材和科普读物。他一向认为自然博物馆是向群众传播自然科学知识的重要场所之一，积极筹划组建了中国自然科学博物馆协会。

　　20世纪50年代初期至60年代中期，周明镇除了开拓研究许多门类的脊椎动物化石外，还担任研究室主任和研究所学术秘书，协助具体规划和组织领导古脊椎动物学科的发展。在前后10余年时间内，他率队考察了我国的许多地区，其中包括率领中国科学院、苏联科学院联合组织的中苏古生物考察队，考察和发掘内蒙古、宁夏、甘肃、青海的许多脊椎动物化石地点。短短10余年间，他发表考察研究报告和学术论文100余篇，专刊5种，探讨的范围除古脊椎动物学、生物地层学和第四纪地质学外，还涉足系统生物学、历史动物地理学、古气候学等领域，为这些分支学科在我国的发展奠定了基础。

　　在这10余年时间内，周明镇还与老一辈科学家一起，带领和培养出一支有高度事业心的、团结协作的古生物学科研队伍。这支队伍的成员，有的扩散到全国的一些重点大学和博物馆，成为所在单位的骨干力量，而大部分集中在北京的研究所里，从事科研和管理。

　　20世纪80年代初，周明镇出任中国科学院古脊椎动物与古人类研究所所长兼北京自然博物馆馆长。他利用自己在世界上的声望和影响，积极安排研究人员和技术人员开展广泛的国际交流活动，使得我国的研究工作能很快跟上本学科国外进展的脉搏，由自成一统、闭门研究区域地层和地方动物群逐渐跻身于国际古生物学科学研究行列。

　　周明镇还曾兼任北京大学、南京大学、中国地质大学和中国科技大学教授、西北大学名誉教授及四川自贡恐龙博物馆名誉馆长。他还曾担任国际古生物协会副主席、中国古生物学会理事长、古脊椎动物学会理事长、中国自然科学博物馆协会理事长、中国第四纪地质及冰川学会副主任、美国古脊椎动物学会名誉会员、莫斯科自然博物馆协会外籍委员、美国人类起源研究所名誉研究员、《古生物学报》副主编、《古脊椎动物与古人类学报》、《化石》杂志主编。

　　周明镇在古稀之年，还和青年人一道，为自己所钟爱的科学事业辛勤耕耘，鞠躬尽瘁，受到了大家的尊敬和爱戴。