1940年，八路军发起百团大战，当时周希汉任一二九师三八六旅参谋长，奉命任左翼纵队司令员，率领该旅十六团，决死队二十五团、三十八团，榆次、太谷两个县大队，两个工兵加强连以及1万多名民工，担任寿阳至榆次段铁路的破袭任务。
8月30日，日军调集重兵对八路军一二九师所在的晋中羊儿岭地区发起“扫荡”，企图围歼一二九师指挥机关。羊儿岭位于山西寿阳、昔阳、和顺三县交界处的和顺县境内，南北长5里，北端主峰海拔1500多米，是附近各山的制高点，东边5里是卷峪沟，西边10里是马坊镇。9月3日拂晓前，周希汉率三八六旅十六团和三十八团到达该地，当即了解到马坊、京上已被日军占领，卷峪沟师部医院尚未转移，于是果断决定：十六团在羊儿岭、上密岩线占领阵地，阻击由北面跟踪之敌；三十八团留一个营在红崖以西监视马坊之敌，团主力向东面的东大足一带行进，占领阵地，掩护十六团向东转移。
3日6时30分，日军1000余人，在马坊之敌配合下，在大批敌机的支援下，向羊儿岭八路军阵地发起猛攻。十六团与敌激战，击退日军3次进攻，毙伤日军百余人，保障了本纵队万余名民工的转移。
敌人久攻不下，集中火炮向羊儿岭主峰拼命轰击，又调集飞机赶来助战，八路军一时处于不利态势。周希汉立刻召集各部队向羊儿岭发起猛烈反攻。八路军虽然武器比不上日军，但指战员同仇敌忾，英勇作战，两个团长、政委都亲临一线指挥部队冲击，经过两小时的战斗，成功夺回羊儿岭主阵地。随后，部队按周希汉命令，立即组织火力，准备应对敌人的反扑。为减少伤亡，部队采取了“少摆多屯”部署，就是以1/3的兵力摆在阵地上坚守，以2/3的兵力作为预备队，隐蔽在距离阵地不远处，准备随时出动，支援前线、向敌人实施反击。
此后，敌人又发起了进攻，周希汉指挥部队英勇抗击，从2日早上6点半到晚上9点半，和敌人激战15小时，打退了敌人十余次冲锋，共毙伤日军300余人。当晚9时30分，周希汉接到上级命令：“首脑机关和友邻部队已安全转移，你们可向昔阳境内转移。”周希汉派人转运走伤员后，即令部队撤出阵地，向东转移。
