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，万毅随同去南京，任张学良临时副官处的副官。此后，改任张学良卫队统带部步兵总队第三队一营少校营长。九一八事变后，随部队撤入关内。1933年，改任东北军105师二旅四团营长。1934年，随军到鄂豫皖地区围剿中国工农红军，担任三旅七团中校团附。1935年8月，到陕甘地区被任命为驻骑兵第三十五师联络参谋。在此期间，万毅结识中共组织派赴东北军进行统战工作的刘澜波