進入9月以后，周恩來的病情急轉直下，癌細胞繼續擴散，免疫力嚴重下降。在這種情況下，醫療組不得不取消周恩來的外事接待活動和室外散步。

　　9月3日，他同秘書一起清理文件，吩囑秘書，除“文化大革命”初期有關材料和1972年江青會見美國學者羅克珊·維特克的談話等有關材料外，其余材料均退回有關部門。

　　9月4日，他就3日《參考消息》轉載香港《七十年代》編輯部專稿《訪蔣經國舊部蔡省三》一文作出批示，要羅青長、錢嘉東找王昆侖、屈武等對有關蔡省三的材料“進行分析”，“弄清真相”。批語最后，周恩來用顫抖的手一連寫下了4個“托”字。

　　9月7日，周恩來不顧病情的嚴重惡化和醫護人員的一再勸阻，堅持會見了伊利耶·維爾德茨率領的羅馬尼亞黨政代表團。這是周恩來生前的最后一次外事活動。當談到自己的病情時，他坦然而又肯定地告訴客人：馬克思的“請帖”，我已經收到了。這沒有什么，這是不以人的意志為轉移的自然法則。接著，他充滿信心地說：我現在病中，已經不能再工作了。鄧小平同志將接替我主持國務院工作。鄧小平同志很有才能。你們可以完全相信，鄧小平同志將會繼續執行中國黨和政府的內外方針。這次會見，只有短短的15分鐘。

　　9月15日，周恩來在與人談話中，就近期報刊宣傳開展對《水滸》評論一事指出：他們那些人(指“四人幫”)有些事情做得太過分了!最近評《水滸》批“投降派”，矛頭所指，是很清楚的。9月20日下午，周恩來做住院后的第四次大手術。鄧小平、張春橋、李先念、汪東興和鄧穎超等來到醫院手術室外守候。周恩來清楚，施行這次手術的后果很難預測。為此，在做手術之前，他做了三件事情。第一件事是，在進入手術室前，他要工作人員找來自己1972年6月在中央批林整風匯報會上作的《關于國民黨造謠污蔑地登載所謂〈伍豪啟事〉問題》的報告錄音記錄稿，用很長時間仔細地看了一遍，用顫抖的手簽上名字，并注明簽字的環境和時間：“于進入手術室(前)，一九七五、九、二十”。第二件事是，在生死難料的情況下，他把自己的全部希望寄托給老戰友鄧小平。在進入手術室的前一刻，躺在推車上的周恩來示意停下，輕聲問道：“小平同志來了嗎?”鄧小平立刻跨步上前，靠近推車。周恩來吃力地抽出手來，緊緊握住鄧小平的手說：“你這一年干得很好，比我強得多!”周恩來的話，一方面是對鄧小平的工作給予了高度的評價，鼓勵他繼續大膽地干下去；一方面警告張春橋一伙人：我和毛澤東同志是堅決支持鄧小平的，你們想打倒他，黨和人民是絕不會饒恕你們的!第三件事是，在進入手術室時，周恩來大聲說：“我是忠于黨、忠于人民的!我不是投降派!”以表明自己在重大原則問題上遭受“四人幫”誣蔑時的嚴正態度。在場的鄧穎超要汪東興將此情況報告毛澤東。