1913年2月，15岁的周恩来跟随伯父周贻赓（改任天津长芦盐运司榷运科科员）全家，从奉天铁岭迁到天津，住在河北区元纬路元吉里2号，开始了天津的活动轨迹。

为了准备南开学校的入学考试，周恩来进入天津大泽英文算学补习学校补习功课。1913年8月中旬，周恩来考入南开学校（四年制），19日报到入学，编入己三班（以后改为丁二班）。

周恩来的学校生活非常艰苦，由于伯父收入微薄，经济上有困难，他很少回家，平时利用假日和课余时间，为学校刻蜡版，抄写教学讲义，以补贴膳食费，减轻家庭的经济负担。1914年8月20日，因家境贫寒又品学兼优，经老师推荐，他免交学费，成为当时南开学校少有的免费学生。
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周恩来对自己要求十分严格，提出了“五不虚度”的要求，即读书、学习、习师、交友、光阴不虚度。他的学习成绩优秀，尤其是国文和数学成绩突出，并多次荣获比赛优胜奖。1914年12月14日，他荣获南开学校“国文传观”比赛第二名；1915年3月，他参加全校数学比赛，成绩优秀，所在丁二班成绩获全校总分第一。据校报《校风》记载，他是笔算速赛48名中最优者之一，代数则能得到满分。1916年5月6日，南开学校组织了一次不分年级的全校国文特试，11个班的代表200多人参加，他的《诚能动物论》，经南开学校创办人严修亲自选定为第一名。

南开学校不仅教学水平一流，而且大力提倡学生课外活动，要求学生既要学习成绩好，又要学会办事能力。周恩来在课外活动中亦是多才多艺。他组织或参与了十几个群众组织，担任不同职务。比如：他和同班同学张瑞峰、常策欧等，发起组织“敬业乐群会”，担任副会长、会长，并主编《敬业》半月刊。该会会员从最初的20多人，逐渐发展到280多人，占全校学生总数的三分之一；会员中既有低年级同学，也有许多高年级同学，甚至有校外的会员，一些老师也成了会友。

他是南开学校《校风》周刊的主要领导者，先后担任文苑部主任、纪事类总主任、经理部总经理。并是《校风》的积极供稿人，为《校风》撰写了很多文章，选题涉及政治、经济、文化以及国内外大事，颇受欢迎。

南开学校的话剧享誉校内外。周恩来是南开新剧团的主要成员，担任剧团的布景部副部长，并参与了十多个新剧的编剧、导演和演出。1914年11月17日，是南开中学建校十周年校庆，张伯苓组织了八幕新剧《恩怨缘》演出活动，周恩来在剧中男扮女装饰演烧香妇。这是周恩来首次舞台尝试，给人们留下深刻印象。此后周恩来又在《仇大娘》《华娥传》《一元钱》《老千金全德》《一念差》《醒》等十几部话剧中，饰演女主角，在天津轰动一时，并到北京青年会公演，成为南开剧团的台柱子。

周恩来对戏剧理论颇有研究，撰写了《吾校新剧观》的文章；还积极参加学校演说活动；在两次代表学校参加天津校际演说比赛中，均获第一名。

1917年6月26日，周恩来以平均89.72分的成绩，从南开学校毕业。在参加毕业典礼时，他获得了国文最佳奖，并代表毕业同学致答辞。在《毕业同学录》中，对周恩来的评语是：“君性温和诚实，最富于感情，挚于友谊，凡朋友及公益事，无不尽力”“君家贫，处境最艰，学费时不济，而独于万苦千难中多才多艺”“善演说，能文章，工行书”“长于数学”“毕业成绩仍属最优”。