军衔接替顾祝同担任参谋总长，并兼任空军总司令。4月25日，晋升陆军二级上将。在国防部任内，建立了军官退休制度和轮调制度。后被卷入毛邦初事件，但经查无辜。1954年7月，蒋介石以周至柔为国防会议秘书长。1957年，任第6任台湾省政府主席，任内主持新竹海埔新生地工程。1962年，任总统府参军长。1967年，任国家建设计划委员会主任委员。1986年8月29日，任内病逝于台北三军总医院，享年88岁。骨灰罈安置于美国纽约海德公园附近庄严寺内。