在國際聯盟中國同志會工作期間，周 書楷潛心研究美日和歐洲各國政治、軍事、 經濟形勢。1936年4月，年方23歲的他，在 當時最權威的《東方雜誌》發表了《洛迦諾 公約毀棄之檢討》萬言論文。該公約是歐洲 英、法、德、意、比、波蘭和捷克斯洛伐 克，於1925年在瑞士洛迦諾簽訂的邊界條 約。1936年3月，希特勒公然毀約，指揮德 軍開進萊茵非武裝地區。周書楷在評論文章 中指出德國法西斯在西方的行動，必將鼓勵 日本軍國主義加快在東方的步伐，「展望中 國的前途，真使人不寒而慄」。 果然在1937 年爆發了日本全面侵華的「七七事變」。事 變發生後，周書楷以民間團體名義，起草了 中國人民反對日本暴行宣言書，以英、法、 德等多種文字向全世界散發。

1938年8月，以促進和平，伸張正義為 宗旨的世界青年大會在美國紐約舉行第二屆 大會，邀請我國派團出席，政府指定由教育 部負責籌備。經由朱家驊、杭立武2位先生推 薦，周書楷被選為中國青年代表團16名團員 之一。其中女團員2名，分別由畢業于燕京大學的漢口一女中英語教師劉德偉和淞滬抗戰時英勇泅渡蘇州河，給堅守四行倉庫的中國 軍隊送去一面國旗，由謝晉元團長親自升上 頂樓，因而鼓舞了全上海人民和國際友人的女童子軍楊惠敏擔任。代表團冒著敵機轟炸和敵艦攔截的風險，遠渡重洋，歷時22天方 抵達紐約。隨後在大會開幕式和58個城市， 宣傳中國抗日戰爭的偉大意義，贏得與會各國代表和國際人士的廣泛同情支持。會後，周書楷應英國民間團體邀請去英國訪問並發 表講演。

1939年2月，正當他即將返國參加抗戰之際，接獲國內電報，原來是經杭立武先生向外交部推薦，要他留在駐英大使館任「甲 種學習員」。3月9日，他到使館報到，從此 進入外交部任職，長達53年。在倫敦，他一邊工作，一邊到倫敦大學政治系攻讀碩士學位，後又到劍橋大學從名師研究歐洲外交史。抗戰期間，他先後擔任駐曼斯徹特副領 事和顧維鈞大使秘書，協助顧大使開展對英外交。

1941年12月27日，聯合共同對付德、意、日法西斯的26個國家，在華盛頓發表聯合宣言。聲明一致對抗德意日，絕不與敵單獨媾和。出席會議的各國在宣言上簽字的 順序，打破按舊例以各國字母順序排列的辦法，而是把中國排列在美英蘇之後為第四位。這樣，26國共同宣言發表後，中美英蘇已成為反侵略的中心。中國成為四強之一。

1943年10月30日，在莫斯科召開的四 國外長會議（中國由駐蘇大使傅秉長代表參 加）發表《關於普遍安全的宣言》。代表四 國政府宣佈「他們承認有必要在盡速可行的 時期，根據一切愛好和平國家主權平等的原則，建立一個普遍的國際組織，所有這些國家無論大小均得加入為會員國，以維護國際和平與安全」。四國宣言向全世界宣佈要建立一個新的國際組織，並為此承擔義務，向成立聯合國邁出了第一步。隨後，在倫敦設立籌備委員會，中國方面由駐英大使顧維鈞參加，擔任其中委員之一。周書楷根據外交部的指示，起草了中國出席聯合國代表團組 織條例，其中除設正副代表外，並增設顧問若干名，其地位相當於副代表。他並隨顧大使出席了1944年秋在華盛頓召開的敦巴頓橡樹園會議，和1945年4月至6月在舊金山召開的聯合國制憲會議。周書楷以他深厚的中英文根底，參與了聯合國憲章的起草修訂工作。6月25日，憲章的起草宣告完成。次日，顧大使代表中國政府第一個在聯合國憲 章上簽字，包括中共代表董必武在內的各黨 派及無黨派人士等九人，也同時在憲章上簽字。從此，中國成為聯合國安全理事會成員之一，在國際事務中發揮積極作用得到長遠的保障。大會結束後，中國代表團全體成員並攝影留念。

1945年12月，周書楷從駐英大使館調 回重慶外交部任秘書。1946年1月9日，王世 杰部長安排他到美國總統特使馬歇爾處，即 國共美談判3人小組，協助翻譯，整理會議 紀錄。4月25日，周書楷隨國民政府東遷南 京。到了7月28日，周書楷隨王部長一行， 出席在巴黎召開的對意和約簽訂會議，擔任 中國代表團長私人顧問和發言人。

1949年底，周書楷隨國民政府遷臺灣， 1950年任駐菲律賓參贊和公使。1953年1 月，奉派為出席聯合國亞洲和遠東經濟委員 會第9屆會議的代表。

1956年1月他被任命為外交部次長， 1961年6月升任僑務委員會委員長。正如他 所說，「我奉派為僑務委員長，而我的臍帶 仍連著外交部。」他雖離開了外交部，但外 交部還是要借重他。當時，隨著聯合國中關 於中國代表權的鬥爭日趨激烈，美國等國認 為單純採取「擱置討論」的辦法已不靈了，轉而採取「重要問題提案」。從1961年9月 起至1964年，周書楷均作為外交中生代幹材，被國民政府委任為出席聯合國大會的全 權代表。

1965年3月10日，周書楷應國防研究院之邀，向第七期學員作了《聯合國及歐洲情 況》的演講。對聯合國的誕生及其演變過程作了全面闡述。

1965年6月，周書楷被任命為駐美大使。曾多次代表中華民國出席各種國際會 議。1968年4月， 代表中華民國政府簽署對太空人援助協定。7月簽署禁止核子武器擴 散條約。1969年1月代表中華民國政府正式 加入國際金融公司簽署協議條款 。 12月為出 席建立國際電信衛星公司確定辦法全權代表會議代表。 1971年2月奉派為中華民國出席 禁止在海洋底床及其下層土壤放置核武器及其他大規模毀滅武器條約全權代表。1971年 3月，周書楷調升為外交部部長。7月率團出席在馬尼拉召開的第26屆亞洲暨太平洋理事 會部長會議。在會上，他代表中華民國政府重申南沙群島是中華民國固有的領土。

1971年9月，第26屆聯合國大會即將在紐約召開。蔣介石召開高層會議，研究中華民國代表團應對方針。會上根據1970年25 屆聯大關於中華人民共和國和中華民國代表席位的表決情況是51：49票。與會人員中有兩種意見：一種認為，如果派代表團出席本 屆聯大，表決失利將陷入被動狀況，因此， 主張乾脆不參加。另一種意見，以蔣經國和周書楷為代表的則認為：不參加會在外界造成不戰而退的印象，主張派團出席作「背水 一戰」。蔣介石最後做出決斷仍然派代表團 參加，但同時授權周書楷在適當時機相機行事。
為此，周書楷便率領由46人組成的龐大代表團前往赴會 。1971年10月25日晚， 當美國駐聯合國代表老布希提出的「雙重代表 權」提案，以59票反對，55票贊成，15票棄票權被大會否決，即將就阿爾巴尼亞等國提案（即2758號決議）交付表決前，周書楷臨時提出動議並登上講臺，代表中華民國 宣佈退出聯合國組織。隨即率領代表團全體與會人員走出會場。在當天午夜舉行的記者會上，周書楷向記者們散發事先準備好的退出聲明。他說：「這是卸下我們肩上的一個 包袱，它是二十一年來一直套在我們脖子上的一塊大磨石」
。並表示「今後將繼續加強與各同心同德的國家政府一起奮鬥，以求實現聯合國所賴以建立，但卻遭大會破壞的各項理想。」

1971年11月1日，周書楷啟程回臺北。在飛機上，他對隨行的錢復坦陳這次聯大失 利他要負最大責任，將向層峰堅辭外長職務以示負責，當時流下了眼淚。11月2日抵達臺北時，行政院副院長蔣經國和國民黨大老 黃少谷等都到機場迎接。蔣介石派人將他直接接到官邸親表慰留。