年辞任理事长一职。1938年（昭和13年），参加贵族院子爵议员补选并第二次当选。1941年（昭和16年），提交了原子弹制作可能性的报告。1943年（昭和18年），就任东条内阁内阁顾问。1945年（昭和20年），日本二战投降，大河内因负责军工产业、日本核研究计划，以及为内阁顾问的缘故，经远东国际军事法庭列入甲级战犯名单，旋即进入东京巢鸭监狱服刑；同年，辞任东京物理学校校长。1946年（昭和21年）获释，同年4月辞任贵族院议员，同年10月辞任理化学研究所所长；同年因驻日盟军总司令部的「」政策而遭禁出任公职。