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仍消极以待，连臧守城时拨的电话也不接。事变时，臧式毅被日本关东军扣押，软禁3个月后。期间土肥原贤二、板垣征四郎，每天去牢里劝降臧式毅，其母送一盒鸦片，让他服毒自尽。