任参谋本部演习课长。1934年晋升陆军少将，转任陆军大学校研究部主事。1935年任陆军大学校干事。中日战争爆发后，日本新设立华北方面军，1937年冈部直三郎就任参谋长，与司令官寺内寿一大将指挥河北、山西、山东作战。1937年升陆军中将，1938年以第1师团长参加徐州会战。1939年任驻蒙军司令官。1940年被授予勋一等旭日大绶章・功二级金鵄勋章。同年任陆军技术本部长。1942年任军事参议官兼日本陆军大学校校长。1943年升陆军大将。由于兵力不足，日本关东军隷下由第4军、第6军组成第3方面军，冈部任司令官