日ソ中立条約は、日独伊三国同盟にソ連を加えた枢軸により米国の戦争加入を阻止し日支事変を速やかに解決するための企図として大成功であると心から喜んだ。日ソ中立条約後の松岡洋右外相の対米交渉に大きな期待を寄せていたが、目まぐるしく変わる松岡外相の対米交渉に対する態度や意見を、非常に不可解に思っていた。対米交渉中の外務省の仕事ぶりに杜撰さを感じて驚くことが多かった。
組閣に当たり天皇より開戦を是とする帝国国策遂行要領白紙還元の御諚が発せられ、東條英機首相も姿勢を対米開戦の回避に改める。
開戦後は戦争の早期終結を主張し、東條や鈴木貞一、星野直樹らと対立していた。
近衛師団長（スマトラ島）.
師団長への転任で初の軍隊指揮官を経験する武藤は、軍務局長の仕事は不愉快なことが多かったので、第一線に行くことは嬉しかったと回想している。現地軍はもう戦争に勝ったも同然と信じて勝利感に酔っていたことに武藤は驚き、気を引き締め備えを充実させるように指示したことが、現場の当惑を買ったと回想している。
サイパン・パラオが米軍に占領されたとき、武藤は副官に「戦争は負けた。しかし我々のスマトラは負けぬ」と語ったと回想している。
フィリピン戦.
既に米軍がレイテ島に上陸を始めていたが、武藤はフィリピンが初めてでレイテ島の位置すら知らず、武藤の前任の参謀佐久間亮三は病気のため山下大将はフィリピン着任後参謀なしで、視察する間も無く米軍の攻撃に対応しており、各参謀も新しく着任した者が多くフィリピンの状況に詳しいものはおらず、作戦準備は予想以上に悪かったという。
台湾沖航空戦で海軍による大戦果の誤報を誤報と知らず、レイテ島で防衛が可能であると誤認した大本営はレイテ島防衛の命令を出し、山下・武藤らは急遽レイテ島の防衛にあたることとなる。
レイテ島の戦いで苦戦していた中、武藤は南方軍総参謀長を訪問し、海軍航空軍の決戦が失敗したことを率直に認識し以後の作戦を考え直さなければならないと進言し、南方総軍や大本営の作戦指導が動脈硬化症状を呈しており、それによって多くの生命が無駄に失われつつあると極言したが、受け入れられなかったという。