1930年6月参加红五军。在中央苏区第一、二、三次反“围剿”战斗中英勇善战，身负重伤，立下战功，升任排长。
1932年7月任红三军团保卫局检查科科长。黎川战斗后，他带领保卫干部搜出隐藏的宪兵、军官、特务，为红军进驻黎川城清除了隐患。
1933年5月，红三军团组成东方军进入福建作战，收复洋口镇后，他一个连担负该镇城防与治安工作，清理户口，缉查漏网的反革命分子，训练情报员收集福州敌人的情报，还筹款30余万元，解决红军经济困难。第五次反“围剿”失利后，为保证中央机关安全突围，组建中央军委直属教导师，他任师特派员，负责调配审查干部，进行政治教育和安排生活供应等。红军长征到达陕北后，先后任红二十八军特派员、八路军一二O师三五八旅锄奸科科长、一二O师政治部锄奸部代理部长等职。他率领工作团在汾阳扩兵，参与指挥击退日军的进攻，护送上万人次大学生通过敌人封锁线到达延安，开展除奸、敌区情报和统战工作。
1938年5月，他率领武装工作队深入大同等地，发动群众，组织了近千人的游击队，摧毁敌伪区村政权，建立抗日政府，筹集军款20余万元。他多次深入汾阳、忻州、阳曲、岚县敌占区，争取敌伪人员，对敌情了如指掌。
1944年夏，任晋绥边区公安总局副局长，主管全区反特斗争，成绩显著。抗战胜利后，任雁门区、绥蒙区公安局长、区党委常委，组织领导绥远地区的反特斗争与保卫工作，其领导才能特别是情报工作才干，受到贺龙和边区公安局的好评。
1948年9月任西北野战军第八纵队政治部主任。在平津战役中，他参与率领不足两万人的部队，负责钳制绥远10万国民党军，出色地完成了任务。
1949年任中国人民解放军第八军政治部主任、绥远军区政治部主任。他致力于对起义部队的团结改造工作。
1950年11月，绥远起义部队整编为中国人民解放军第二十三兵团，他任兵团政治部主任。
1951年9月，二十三兵团奉命参加抗美援朝战争，担负机场的修建与后方警戒任务。他深入细致地做思想政治工作，开展国际主义教育和劳动竞赛，提前完成了任务，受到中央军委和华北军区的表扬。他被授予朝鲜自由独立二级勋章。二十三兵团回国后整编为中国人民解放军第六十九军，任军政委。他狠抓部队政治思想教育和战术、技术训练，组织参加社会主义建设，部队的军政素质得到了很大提高。该军先后荣获军委炮兵颁发的“全国炮兵第一名”、军委装甲兵颁布的“坦克一颗卫星”的奖旗。
1958年10月10日，刘伯承、贺龙、陈毅、罗荣桓、聂荣臻、叶剑英6位元帅亲临视察，对六十九军取得的成绩给予充分肯定。
1963年天津发生大水灾，他带领部队参加抢险，使几百万群众与工厂转危为安，得到天津市政府的奖励。
1965年后，任北京军区政治部副主任，乌鲁木齐军区副政委兼生产建设兵团政委、党委书记，新疆自治区党委常委、自治区革命委员会副主任等职。裴周玉在边疆工作10年，跑遍了天山南北，参与领导部队建设、保卫边疆和发展工农业生产。
