1939年，周明镇先生进入重庆大学地质系学习，在校期间的他英俊倜傥、才思敏捷，又善写诗歌散文，给曾经的同学们留下了深刻印象。时陆续有许多知名学者受聘在各高校担任专业或兼职教职，大学时期周明镇受到了杨锺健、李四光等知名地质学家的深刻影响，早早奠定了今后从事地质古生物专业工作的基础，也开启了之后大半生追随恩师杨锺健的序幕。在他的同学中，最终只有他一人从事了地质工作。
1944年从重庆大学毕业后，周明镇先生曾在四川地质调查所和母校地质系工作，后于1946年携家赴台湾地质调查所任职。1947年，他只身自费赴美留学深造，先后在俄亥俄州迈阿密大学、宾夕法尼亚州理海大学(LehighUniversity)攻读硕士和博士学位，并曾在美国纽约自然历史博物馆进修。
1950年先生转至普林斯顿大学师从著名古哺乳动物学家杰普森(G.Jepsen)学习古脊椎动物学，兼做其助理研究员，这一年夏天获得理海大学地质学博士学位。他用了一个暑假的时间跟随杰普森野外考察队进行落基山科学考察，除了采集、发掘鱼类、爬行类、哺乳类化石外，还参加了一次史前印第安人遗址的考古发掘，但是周明镇先生最感兴趣的还是哺乳动物化石。
1951年，知识分子的家国情怀促使周明镇先生义无反顾初取道日本、香港回国，与先期归来的妻儿团聚。此后终其一生，面对所有痛苦及考验先生唯抱持着对祖国的真挚热烈情感，以全身心投入到努力工作、无私奉献之中来应对和排解。因为当时其恩师杨锺健还在中科院编译局担任局长一职，研究古脊椎动物的专门研究机构尚未成立，周明镇先生便前往山东大学任地质系副教授。正是该校学生在实习期间于上白垩统地层中首次发现了鸭嘴龙遗骸以及恐龙蛋化石，这些化石后来由周明镇亲自作了报道。
1953年，周明镇先生襄助恩师杨锺健创建了中国科学院古脊椎动物研究室(1957年改称古脊椎动物研究所，1960年改称中国科学院古脊椎动物与古人类研究所至今)，任学术秘书，并担任《古脊椎动物学报》(中文与英文版)、《古生物学报》《古生物学译报》的编辑工作，研究所成立后担任高等脊椎动物研究室主任。可以说，周明镇先生不仅参与了世界上独一无二、专门从事脊椎动物化石研究的中国独立科研机构创建过程，并起到了很大推动作用。
之后周明镇先生即责无旁贷地多次承担组织大型考察活动的重任：1959-1960年领导中苏古生物考察队对内蒙古、陕西、宁夏和甘肃进行考察；1963-1964年继续领导中苏古生物考察队的新疆准噶尔盆地和吐鲁番盆地考察；1960-1970年主持华南红层的大规模考察，前后长达10年。这些考察都结出了世界瞩目的累累科研硕果。
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