后毕业，经同学介绍，到天津的东北陆军第一、第三联军司令部副官处文书股当上士，不久调任少尉、中尉兵站员。1926年春，万毅通过考试被录用在第三、第四方面军（司令张学良）副官处任少尉副官。他先后任中尉、上尉、少校副官、少校军械官等职。1928年年底，经过黄显声点拨，万毅考入东北陆军讲武堂第九期学习。1930年6月，万毅在东北陆军讲武堂以名列该期学员考核第一的优异成绩毕业，并获张学良奖给的怀表一块、指挥刀一把。随后被分配到东北陆军第二十旅担任少校团附，加入中国国民党。1930年11月，张学良就任陆海空军副总司令