周维善从1952年起师从中国著名有机化学家黄鸣龙从事倍半萜山道年及其类似物的立体化学和甾体激素药物的合成研究。当时，甾体激素药物工业在中国还是一个空白，他在协助黄鸣龙建立中国甾体激素药物工业中作出了重要贡献。他参与一些甾体药物如副肾皮质激素可的松和口服避孕药甲地孕酮等研制并成功地将它们投入了工业生产。此后，他仍长期从事甾族化学、萜类化学和有机合成化学的研究。

其中D-18-甲基炔诺酮是高效的口服避孕药。这一科研成果随着中国计划生育基本国策的确定而受到了高度重视，很快投入了工业生产并广为使用。他和有关工作者还在甾体微生物转化方面做了大量的研究工作。例如用节杆菌使从去氢表雄酮所制得的19-羟基甾体化合物的A环芳构化从而转变成雌甾酚酮，然后将此化合物的17-酮基乙炔化使其成为乙炔雌甾酚醇。这一化合物是所有甾体口服避孕药的配伍用药。从1960年至今仍用此法进行工业生产。雌甾酚酮本身也是很重要的妇科用药。用另一微生物分枝杆菌切断19-羟基-β-谷甾醇和19-羟基胆固醇的侧链得到△4-19-羟基雄甾-3，17-双酮，后者通过节杆菌的芳构化也可得到雌甾酚酮，为充分利用天然植物甾醇开辟了一条新的途径。他在甾体化学研究中，和同工作者还发现了C5，6α-环氧-C6β-甲基用酸处理主要得到C6次甲基化合物和若干重排成大环的化合物。C6-次甲基-α-环氧化合物用酸处理也重排成大环化合物，而C5，6β-环氧C6α甲基化合物用酸处理不重排成大环化合物，得到正常产物。

油菜甾醇内酯是一种新型的具有显著生理活性的植物生长调节剂。它具有一个不平常的甾体结构，不仅含有邻位双羟基的4个连续手性中心的侧链，而且其B环是一个七员环内酯。它的结构在1979年才被美国化学家确定，它的生理活性极强，在极低的浓度下（0.01～0.1μg/ml）就可显著地促进植物的生长发育。1982 年，周维善在中国首先开展了这一化合物的合成研究。他的研究特点是利用中国丰富的猪去氧胆酸为原料采用多种不同的合成方法对油菜甾醇内酯及其类似化合物进行系统的合成研究。经过10余年的努力，他和同工作者不仅设计合成了近50个油菜甾醇内酯类化合物，其中35个是新化合物，而且还发现了通过烯醇硅醚臭氧化的高区域选择性构成油菜甾体七员内酯的新方法和首次将Sharpless不对称双羟化应用于甾体不饱和侧链，解决了长期存在于油菜甾体侧链双羟化反应立体选择性的关键性问题并扩大了应用范围。通过对所合成的油菜甾醇内酯类化合物生理活性的测试表明，它们大多都具有生理活性，其中一个简单易得的化合物已完成了田间千亩试验，具有良好的增产效果，有较大的应用开发前景。根据猪去氧胆酸结构上的特点，他和有关工作者还利用它改造合成了治疗胆疾的鹅去氧胆酸和熊去氧胆酸，以及维生素D代谢产物，后者的生理活性一般均比母体为高。