乾隆三十六年（1771年），乾隆帝命周元理随同工部尚书裘曰修、直隶总督杨廷璋到青县、沧州一带，勘查运河情形。 [7] 周元理向朝廷建议治水的措施：“以减少水石坝代替闸座，并每年测量水情并疏浚河道。”该提议得到批准。不久后，周元理出任山东巡抚。
乾隆三十七年（1772年），针对直隶雨水多时河流涨满、冲垮道路、交通停滞、乡间堤岸被冲垮，致使粮田被水淹没的情况，周元理上疏朝廷请求用以工代赈的办法，勘修交通要道。经勘察发现沿途各州县河道须重新修复，于是对良乡茨尾雅河，新城、雄县卢僧河道疏通挖深，同时对新城、清河、雄县、任丘、献县堤坝进行加固。乾隆帝派工部尚书裘曰修与周元理一道统率各级官员，妥善办理河务工作。
乾隆三十八年（1773年），乾隆帝赏加直隶总督周元理太子少保衔。
白莲教山东支派于乾隆三十九年（1774年）八月起义，教首寿张人王伦带领起义军攻克寿张、堂邑、阳谷，并进犯东昌及临清地区。起义军拦夺粮船为浮桥，欲强行渡运河进入畿南地区。
乾隆四十四年（1779年），周元理因井陉知县周尚亲一案而被罢官。直隶井陉知县周尚亲于乾隆四十三年（1778年）八月采买仓谷三千石。官府出价每石九钱三分，周尚亲却实际支付六钱给百姓，余下的钱款打算中饱私囊。后来听说有人要告发他，周尚亲被迫将短少钱款退给百姓，但有人不肯领取该款项并向上级政府告发此事，激愤的百姓纠集村民将一些府衙的差役殴伤。事发之后，周元理并未对周尚亲这样的“先侵后吐”的官员给以惩处，也未将其因苛派而激起民变之事据实具奏，只认为民众殴打官员，“情节甚为可恶”，要求对民众严加惩处。乾隆帝在供词中查出破绽后，派尚书福隆安去往直隶，查明案情真相。在案件真相水落石出后，乾隆帝责怪周元理袒护属下，并将周元理革职，由直隶总督的从一品衔降为三品衔，在正定隆兴寺管理庙工，效力赎罪。 同年，周元理又被清廷重新起用，担任都察院左副都御史，仍然署理直隶总督一职。
