仕途艰辛，让周学熙早年憧憬的科举之路蒙上了阴影。1897年，父周腹再让他至焦山读书，以备会试，入词林。他因已有五女一子，负担渐重，于是放弃科举，讲求实学。其父也尊重他的意见，又为他写了封信给亲家张翼（燕谋），为学熙谋点小事。当时，张任开平矿务局总办，便安排周作为矿务局驻上海分局的监察，负责监督推销矿局的煤炭，以及察看煤炭在南方几省的销售情况。他就携带分家所得两万元资产，同眷属居住上海。1898年6月，奉北洋大臣裕禄委任，张燕谋升署直隶、热河矿务局督办兼开平矿务局督办，周学熙升为开平矿务局总办。至此，开平实际上就由周管理。这是他从事实业的开始。

周升开平总办后，发现唐山细棉土厂（启新洋灰公司旧  称），由于原料来自遥远的广东香山，运输或靠当地雇船，或待开平运煤船抵港卸货后再转装，运费高且又不及时，使水泥成本增大；加之造灰技术又不够先进，质量不高，出售受限，致使亏赔，被张燕谋报废停歇了。周目睹当时水泥销路甚广，市场潜力巨大，便决心恢复灰矿生产。1900年4，他呈请裕禄，由开平垫款，重新上马，得到了许可。

正当周学熙聘请李希明（士鉴）为经理，雇德国昆德汉斯为技师，重振细棉土厂之际，1900年6月八国联军侵犯天津，7月14日天津失陷，俄军宣布占领区的开平煤矿为俄所有。而此时曾任天津海关税务局的英籍德璀琳，不仅早已通过“借款”染指开平，而且想侵吞开平，对俄的宣布不甘心，想通过“合法”途径取得开平的矿产权。于是乘八国联军在天津成立联合军事殖民统治权之机，密谋策划先将张燕谋逮捕，再假装看望，并以不惜代价营救为借口，骗取了张的委托书，又通过贿赂翻译，在译文中做手脚，30日与英商订立了开平矿私卖合同。为了取得总办的最后证据，德璀琳又玩弄阴谋，威逼周签字。周学熙得知此事后，非常愤慨，责骂张将是历史罪人，拒不签字，并声明辞去总办，与矿脱离关系，毅然赴上海，避居家中。

后来周腹由四川调直隶时途径上海，将学熙随带入津，次年2月被李鸿章发往山东省试用，9月到济南。当时，山东巡抚袁世凯得知周的来头，且又是曾有过交情的朋友之子，故十分重用，委派他筹办山东大学堂。

  1898年5月5日，张之洞发表了《劝学篇》，主张“中学为体，西学为用”，使周学熙深受影响。他在办山东大学堂时分正斋（预料）、专斋（本科），编印《中学正宗》、《西学要领》，以及天文、地理等课本，供教学之用，使大学堂初具规模。这时周腹升任山东巡抚，他循例回避，改官直隶侯补道。