Tháng 7 năm Thái Nguyên thứ 8 (383), Phù Kiên động viên 97 vạn đại quân tiến đánh Đông Tấn. Tháng 10, Phù Dung công phá Thọ Dương, Mộ Dung Thùy đánh hạ Vân Thành [11], tướng Tấn Hồ Bân lui về giữ Giáp Thạch [12]. Phù Dung bắt được sứ giả của Hồ Bân cầu cứu đại quân nhà Tấn, lập tức thông báo cho Phù Kiên, nhận xét quân Tấn người ít, lương hết, nên thừa cơ phát động công kích. Phù Kiên nhận tin, bèn lưu đại quân lại Hạng Thành, tự lĩnh 8000 khinh kỵ theo đường nhỏ đến Thọ Dương gặp Phù Dung.

Vừa đến Thọ Dương, Phù Kiên lập tức phái Chu Tự đi trước đến doanh trại quân Tấn khuyên hàng. Lòng vẫn hướng về nhà Tấn, Chu Tự thừa cơ nói với Tạ Thạch: "Trăm vạn quân của Phù Kiên đến đây, (quân ta) không thể địch nổi; nhân lúc họ chưa hội họp, đánh ngay, thì có thể thắng được." [13]. Các tướng Tấn đồng ý với kiến nghị của ông.

Tháng 11, quân Tần ở phía đông Thọ Dương, bờ tây Phì Thủy bày trận, quân Tấn tiến đến bờ đông Phì Thủy, đôi bên cách sông nhìn nhau. Tạ Huyền phái người đến nói với Phù Dung, yêu cầu quân Tần lùi lại một chút, để cho quân Tấn sang sông, sau đó đôi bên sẽ quyết thắng phụ. Tướng lĩnh nước Tần đều không đồng ý, nhưng Phù Kiên chủ trương đợi quân Tấn qua sông được một nửa, dùng thiết kỵ bất ngờ tập kích để giành chiến thắng, Phù Dung cũng tán đồng. Không ngờ, các tướng Tần không thể kiểm soát được hành động lui quân, Chu Tự thừa cơ ở sau trận địa quân Tần hô to lên rằng: "Quân Tần thua rồi! Quân Tần thua rồi!" Quân Tần cho là thật, tranh nhau bỏ trốn đến nỗi hàng vạn người chết vì bị giẫm đạp. Các tướng Tấn Tạ Huyền, Tạ Diễm, Hoàn Y soái lĩnh 8000 tinh binh vượt sông đánh mạnh, tướng Tần Phù Dung ngã ngựa bị giết, Tần đế Phù Kiên trúng tên bỏ chạy. Quân Tần tan rã, quân Tấn giành được toàn thắng. Chu Tự và Từ Nguyên Hỷ cùng vua Tiền Lương trước đây là Trương Thiên Tích chạy vào doanh trại quân Tấn.

Chu Tự nhờ công được nhậm chức Long tương tướng quân, Lang Tà nội sử, không lâu sau được làm Đốc Dương Châu, Dự Châu 5 quận chư quân sự, Dự Châu thứ sử, đóng quân ở Lạc Dương.