进入9月以后，周恩来的病情急转直下，癌细胞继续扩散，免疫力严重下降。在这种情况下，医疗组不得不取消周恩来的外事接待活动和室外散步。

　　9月3日，他同秘书一起清理文件，吩嘱秘书，除“文化大革命”初期有关材料和1972年江青会见美国学者罗克珊·维特克的谈话等有关材料外，其余材料均退回有关部门。

　　9月4日，他就3日《参考消息》转载香港《七十年代》编辑部专稿《访蒋经国旧部蔡省三》一文作出批示，要罗青长、钱嘉东找王昆仑、屈武等对有关蔡省三的材料“进行分析”，“弄清真相”。批语最后，周恩来用颤抖的手一连写下了4个“托”字。

　　9月7日，周恩来不顾病情的严重恶化和医护人员的一再劝阻，坚持会见了伊利耶·维尔德茨率领的罗马尼亚党政代表团。这是周恩来生前的最后一次外事活动。当谈到自己的病情时，他坦然而又肯定地告诉客人：马克思的“请帖”，我已经收到了。这没有什么，这是不以人的意志为转移的自然法则。接着，他充满信心地说：我现在病中，已经不能再工作了。邓小平同志将接替我主持国务院工作。邓小平同志很有才能。你们可以完全相信，邓小平同志将会继续执行中国党和政府的内外方针。这次会见，只有短短的15分钟。

　　9月15日，周恩来在与人谈话中，就近期报刊宣传开展对《水浒》评论一事指出：他们那些人(指“四人帮”)有些事情做得太过分了!最近评《水浒》批“投降派”，矛头所指，是很清楚的。9月20日下午，周恩来做住院后的第四次大手术。邓小平、张春桥、李先念、汪东兴和邓颖超等来到医院手术室外守候。周恩来清楚，施行这次手术的后果很难预测。为此，在做手术之前，他做了三件事情。第一件事是，在进入手术室前，他要工作人员找来自己1972年6月在中央批林整风汇报会上作的《关于国民党造谣污蔑地登载所谓〈伍豪启事〉问题》的报告录音记录稿，用很长时间仔细地看了一遍，用颤抖的手签上名字，并注明签字的环境和时间：“于进入手术室(前)，一九七五、九、二十”。第二件事是，在生死难料的情况下，他把自己的全部希望寄托给老战友邓小平。在进入手术室的前一刻，躺在推车上的周恩来示意停下，轻声问道：“小平同志来了吗?”邓小平立刻跨步上前，靠近推车。周恩来吃力地抽出手来，紧紧握住邓小平的手说：“你这一年干得很好，比我强得多!”周恩来的话，一方面是对邓小平的工作给予了高度的评价，鼓励他继续大胆地干下去；一方面警告张春桥一伙人：我和毛泽东同志是坚决支持邓小平的，你们想打倒他，党和人民是绝不会饶恕你们的!第三件事是，在进入手术室时，周恩来大声说：“我是忠于党、忠于人民的!我不是投降派!”以表明自己在重大原则问题上遭受“四人帮”诬蔑时的严正态度。在场的邓颖超要汪东兴将此情况报告毛泽东。