此后，他回到湖南，投湘军程潜手下。1916年（民国5年），王大桢赴日本留学，入陆军经理学校高等科。1918年（民国7年）西伯利亚出兵之际，王大桢随日军赴西伯利亚及外蒙古实地考察。翌年，入东京帝国大学经济学部学习。1921年（民国10年）前往美国任华盛顿会议中国代表团咨议。翌年归国，成为负责山东问题交涉（「鲁案」）者之一。1924年（民国13年）初，任山东省统计讲习所所长。1925年，再赴日本考察。
国民政府的活动.1926年（民国15年）归国，王大桢参加国民革命军的北伐，被编入