1928年东北易帜后，调任奉天省本溪县知事。1929年改称县长。1931年九一八事变后，徐家桓携家回到吉林。1932年，任吉林一中教导主任，不久便向日本投降。1934年，任满洲国吉林市筹备处处长。1936年任吉林市市长。1941年至1943年，任四平省首任省长。1943年至1944年，任满洲国国务院总务厅次长。1944年任吉林省省长。1945年日本投降后，徐家桓于同年9月3日被苏联红军逮捕，押往远东伯力战犯收容所。在关押三个月后，徐家桓获得联保，提前获释回到吉林。1946年春，徐家桓携家迁居长春。