935年期间于法国留学，1936年时远赴海外观察义大利-衣索比亚战争。归国后不久，1939年5月爆发了「诺门罕事变」，服部此时也为关东军作战参谋主任，与参谋官辻政信共同力主将战事扩大化，却反遭苏军反击，日军受到重大损失。在作战善后阶段，关东军总司令植田谦吉与其参谋长矶谷廉介被迫退出现役，但主张将战事扩大的服部却从轻发落，甚至在1940年10月还获得晋升，成了参谋本部作战课作战班长。1941年7月，服部就任该职。另一方面，诺门罕另一位主事者——辻政信也调往参谋本部服务，任作战课兵站班长。此时服部的上司是参