由於過度勞累，武王身染重病，無法料理國事。這時候正是百廢待興之際，天下還未完全安定。在這節骨眼上武王一病不起，眾位大臣就如失去了主心骨，都很不安。
周公沒有像其它大臣那樣恐慌，而是自以為質，設立祭壇，北面而立，戴璧秉圭向祖先太王、王季、文王祈禱。他説:“你們的元孫周武王姬發，由於辛勤操勞國家大事，積勞成疾染了重病，如果你們欠了上天一個孩子的話，那麼請讓我周公旦去代替武王姬發吧!我多才多藝且有仁德，能很好地侍奉鬼神，而周武王姬發不如我。武王已受命於天地之庭，布其道以佑助四方。能讓先人子孫安定生活，四方之民無不對武王敬畏。如果不救武王，則有損上天的使命；如果救了武王則先王們也會有所依歸。
現在我就受三王之命用元龜來卜知吉凶，你們讓武王病癒，我就以璧與圭去死；如果你們不允諾我，我也就不得事神了。’周公占卜後，卜人都説:“是吉兆也!”於是他高興地打開占卜的結果，果然是授他的意願來的。周公滿面春風地去見武王，向他表示祝賀:“武王沒有危險了。我剛剛接受三王之命，武王是領導我周國大展宏圖之人，萬萬不能死去，能替代您的只有我一人。”周公把這種讓現代人看來覺得可笑的祈禱看得非常神聖，在那個相信天命的時代裏，卻是非常真誠無私的。
周公析禱以後，也許是由於心誠的緣故吧，武王的病還真的有所好轉。但是由於病情嚴重，過了不久，武王還是病故了。臨終前，武王把王位傳給有德有才的王弟周公，並很堅決地説，傳位這件事再無需占卜了，可以當面決定傳給周公。周公痛器流涕，執意不願接受王位。武王死了，太子誦還是個年幼的孩子。周公雖然擁立他繼承了王位，稱為成王，但面對國家初立，尚未穩固，內憂外患接踵而來的複雜形勢，成王怎麼應付得了?《尚書》中記載:“有大艱於西土，西土人亦不靜。'武王之死使整個國家失去了支柱，形勢迫切需要-位既有才幹又有威望、能及時處理問題的人來收拾這種局面，於是，這個責任便落到了周公肩上。周公雖無心王位，但卻擔心天下聞武王病死而發生分裂和叛亂，因此他決定代成王攝政當國，暫度難關。
周公執政，發揮了國王的作用。這件事在當時是很自然的事，古書中對周公稱王的記載很多。但是到了漢代以後，大一統和君權至上局面形成之後，周公稱王才變成不可思議的事，於是才出現周公是“假王”等等貶斥的説法。雖然如此，周公攝政這件事在當時還引出了一場不小的風波。周公排行老四，其長兄伯邑考早喪，二兄即武王，周公的前面還有一位排行第三的管叔。管叔第一個表示不滿周公執政。管叔以為，論資排輩的話，首先應該輪到自己，而不是周公。管叔於是四處散佈流言説:“周公攝政將對成王不利。”在他的煽動挑唆下，許多不明真相的東方大小方國，紛紛加入到反對周公的行列中，叛亂隨時都有爆發的可能。這種情況對剛剛建立三年的周王朝來説，是個異常沉重的打擊。如果叛亂髮生，周王朝就會面臨極大的困難，周文王周武王艱苦經營幾十年建立起來的功業就會毀掉。周王朝處在風雨飄搖之中。在王室內部也有人對周公持懷疑態度。這種內外交困的形勢，使周公的處境非常艱難。
面對困難，周公顯得很鎮靜，絲毫沒有驚慌失措。他首先穩定內部，保持團結，及時説服姜太公和召公。周公説:“我之所以不迴避困難而代成王攝政，是擔心天下背叛周朝。因為成王還很年幼，又處在剛剛建國的關鍵時刻，許多棘手的問題根本無法處理，稍有不慎，就會面臨丟失江山的危險。如果那樣的話，我還有何面目去回報太王、王季、文王呢?三王憂勞天下已經很久了，到武王手中才有所成就。這樣來之不易的周王朝，我怎能眼巴巴地看着它落人敵人手中呢?因此，我不得已才代成王行使權力，我完全是在為周朝着想。周公的一席話情真意切，感人肺腑，讓姜太公和召公等人疑慮頓消，同時，周公那坦蕩的胸懷也讓朝中大臣們非常敬佩，他們紛紛表示堅央擁護周公攝政，團結起來，一致對外。正在周公説服朝中大臣之際，商侯武庚在殷地趁管叔、蔡叔對周公攝政不滿之際，就煽動他們儘快發動叛亂。又串通了東南各地的徐奄、薄姑和熊盈等國，共同起兵叛國。據説東方十七國俱反，聲勢浩大，一時烽火四起，導致周人所居的西土也騷動不安，人心惶惶。
關鍵時刻，周公當機立斷，堅決主張武力東征平叛。他向成王和召公等人解釋了東征的理由，認為如不及時平叛，恐怕會使這種動亂局面迅速蔓延，遍及全國，那時將後患無窮。成王、召公等同意了周公的意見，決定召集大軍東征平叛。當時周朝的很多貴族畏懼打仗，周公便以天子身份作《大誥》一文激勵畏縮之人。為了分化關東之敵，周公曾親赴楚國，説服楚人不要參加叛亂。全部工作準備就緒，周公開始調兵遣將組成浩浩蕩蕩的東征大軍。周公親自統率軍隊，並讓在齊國的姜太公也自行指揮所屬兵馬一起討伐叛軍。
由於武庚等人反叛之心日久，準備得很充分，可謂兵精糧足，堡壘堅固。雖然周公率領着鬥志昂揚的平叛大軍，還是無法迅速打敗叛軍，雙方多次激戰，互有勝負。但是由於叛軍失道殘害人民，引起了當地羣眾的反抗，老百姓紛紛加人到平叛大軍的行列中去，加上週公機智過人，善於用兵，很快便佔據了主動。經過三年，叛亂終於在公元前1022年被平定了。周公對罪惡深重的管叔處以極刑，擒回並殺掉了不思悔過的武庚，把罪行較輕的參與者蔡叔流放到邊疆荒野去。接着，周公又率領東征軍繼續東進，進而討伐了參加這次叛亂的奄國、錄國淮夷、蒲姑等五十多個小國。一直追擊叛敵到黃海渤海之濱。東征軍還北伐殷人殘餘勢力，直至河北北部向西又誅滅了叛亂的唐國，真可謂除惡務盡，斬草除根，大大地穩定了周王朝的統治地位。跟隨周公的將士們，即使斧子砍出了缺口，也仍義無反顧，鬥志昂揚。
周公東征像疾風驟雨席捲了大河下游，改變了原有民族部落的格局，形成了民族大遷徙大融合，使周朝的國勢大為擴展，國威四揚，四方的國家都來順服於周。周公的卓越功績使他得到了成王和臣民的信任和敬仰。