臧式毅奉张作霖之命调回沈阳，接替张学良的东北陆军整理处参谋长一职。1925年任江苏督办公署参谋长。后孙传芳攻奉，臧被执，羁押半年后获释。1928年，张作霖遇炸身亡之后，臧式毅与刘尚清等人商议秘不发丧，并且秘密派人告之张学良，使张学良平稳接管整个东三省。东北易帜后，历任东三省保安总司令部少将参议、东三省保安总司令部中将参谋长。1930年，臧式毅担任辽宁省政府主席，在治理东北财政金融方面颇有建树。任职期间清政廉洁。九一八事变前，联络张景惠多次向人在北京的张学良提出警告，寻求张提供有力前方支持，惟张至事变发生当晚