学良整编军队，刘翼飞任东北陆军歩兵第4旅旅长。1930年（民国19年）任东三省兵工厂厂长。翌年1月任察哈尔省政府主席，任至1932年（民国21年）8月。以后，他担任国民政府军事委员会北平分会委员，在张学良手下负责对日防卫。1936年（民国25年）12月西安事变后张学良失势，刘翼飞也因而下野。抗日战争胜利后，刘翼飞担任华北先遣军第1军军长，后加入三民主义促进会。中华人民共和国成立后，他留在中国大陆，担任天津市政治协商会议委员。1968年7月28日，刘翼飞在天津病逝。享年76岁（满74歳）。