1918年11月9日，周明镇出生于上海。1937年卢沟桥事变后，周明镇只身流亡到长沙，进湘雅医学院细菌专科，后转至贵阳在西南公路局公务科做练习生，业余自修法文和世界语。
1939年，考入重庆大学地质系。1943年，毕业于重庆大学地质系。1946年—1947，任台湾地质调查所技士。
1948年，他通过考试赴美留学。1948年，获美国迈阿密大学硕士学位。1950年，获美国里海大学生物学博士学位。
1951年回国，1951—1952年任山东大学副教授。
1952年调入中国科学院古生物研究所古脊椎动物组（中科院古脊椎所前身）。
野外考察
野外考察
1959年起，主持领导中苏中亚古生物考察，并在中苏关系破裂后继续推进这项艰巨的工作。
1960–1970年代，主持长达10年的华南红层考察，发现了独特的古新世哺乳动物化石，曾被认为是20世纪国际古生物学最为重要的发现。
1980年当选为中国科学院院士（学部委员）。
1993年，他获得有“古脊椎动物学界诺贝尔奖”之称的罗美尔—辛普森奖章，是北美以外获此殊荣的第一人。
1996年1月4日，周明镇在北京去世，享年78岁。
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