大正八年（1919年）1月15日就任参谋本部第1部长。大正十年（1922年）11月24日就任参谋次长。昭和七年（1932年）8月8日担任关东军司令官一职。并兼任满洲国驻在特命全权大使与关东长官。掌握满洲的军事、行政、外交。同年9月15日与满洲国国务总理郑孝胥签订《日满议定书》，维持满洲国内的治安。武藤遂成为首任日本驻满大使。1933年（昭和八年、大同二年）发动热河战役，将热河收入满洲境内。5月3日，获得元帅称号。7月27日卒于满洲国新京。