6月4日皇姑屯事件后，张作相拥立张作霖之子张学良继位，张学良宣佈东北易帜，名义上归顺国民政府。易帜后的同年12月31日，他任东北边防军副司令长官兼吉林省政府主席。在任内，他建设吉海铁路，创办吉林省立大学，为人民修建了自来水厂等民生设施。1931年9月九一八事变后，他辞职。1933年，他寓居天津英租界。此后，日本方面曾经笼络张作相出任「满洲国」要职，但都被他拒绝。第二次国共内战中的1948年10月，蒋介石建议他逃往江宁，但他未听从。同年11月，中国人民解放军攻克锦州，他落入解放军之手，但中国共产党将他释放