1934年9月任满洲国军政部最高顾问，12月10日任关东军参谋次长兼驻满洲国武官，参与扶植德王成立傀儡政权蒙古军政府。1936年3月23日任关东军参谋长等职。1937年3月任第五师团长，在七七事变之后抗日战争中，指挥第5师团，先在山西省与阎锡山指挥第二战区的中国军队作战。太原会战结束后，板垣的师团调往山东省，沿胶济铁路进攻青岛。在山东南边台儿庄会战中第5师团之第21旅团担任日军救援部队，在第五战区国军包围下，即将被歼灭的矶谷廉介中将的第10师团之第33旅团的万余名日军，被板垣师团军打开缺口而逃出去。