翻开《周明镇科学文集》，其中收录了先生141篇专门研究文章，涉及中国始新世和古新世哺乳动物群的研究、中国象化石的研究、第四纪哺乳动物群及环境变化的研究、中生代哺乳动物研究，以及爬行类、恐龙蛋、鸟类和石器研究也有所涉猎。但其突出贡献在古近纪尤其是古新世的研究。
研究过程中周明镇及其团队发现，我国以及亚洲北部古新世哺乳动物群的主要特点是以犭亚兽类、阶齿兽科等亚洲特有的动物占绝对优势，说明亚洲北部在古新世时是与北美、欧洲相隔离的。他领导开展了历时十年的华南红层考察，发现数以百计具有亚洲特色的古新世哺乳动物化石，改写了对早期哺乳动物的认识和记录。
另一重点研究领域是始新世古哺乳动物学方面。从五十年代开始周明镇先生先后研究河南、内蒙古、云南等多地的始新世化石，对中国始新世哺乳动物群的组成、属种特征、系统关系等问题进行了记述。尤其在象的研究方面，从1957年开始的十多年时间里，他对我国南、北方出土的16属59种象化石进行了系统描述并出版总结性专著《中国的象化石》，时至今日这本专著仍是国内外专家必须参考的重要文献。
在中生代哺乳动物研究方面，尽管当时的化石材料非常有限，周明镇先生仍进行了细致研究，对1990年之前我国除云南禄丰之外发现的所有中生代哺乳动物化石做了描述。在第四纪研究方面，周明镇先生特别关注与人类共生的哺乳动物群的研究，对相关的许多问题，尤其是哺乳动物演化与古气候变化的关系，进行了分析探讨。另外，“将来成为一个以古脊椎动物为基础，兼通地质和生物进化论的理论古生物学家”是周明镇先生年轻时候的理想，许多年后他终于付诸实践：上个世纪七十年代初期分支系统学出现，凭着敏锐的“学术嗅觉”他立刻组织编译了《分支系统译文集》一书，成为把这一学派完整介绍到国内的第一人，大大缩短了中国古生物学者与世界同行间的理论差距。
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