1939年（昭和14年）10月に陸軍次官就任、阿南の陸軍省への帰還を知った将校や職員は一様に歓喜したという。阿南が陸軍次官に着任する直前の9月にノモンハン事件が停戦となっていたが、阿南はノモンハン事件が日本軍の敗北であったことを初めて知って愕然としている。既に現場では、第6軍司令官荻洲立兵中将や、第23師団長小松原道太郎中将により、無断撤退した長谷部理叡大佐や井置栄一中佐に対する私刑に等しい自決強要がなされるなど統率がとれておらず、その後始末を委ねられる形となった。陸軍省と参謀本部は、前任の東條英機中将と参謀次長多田駿中将の対立もあって関係が悪化していたが、阿南は同時期に多田に代わって次長に就任した幼年学校以来の同期で親しかった沢田茂中将と「人の和を最優先事項としよう。陸軍省と参謀本部は一体となって難局にあたろう」と申し合わせし、綿密な協力体制を構築して、てきぱきと事後処理していった。人事処分については独断専行して事件を拡大した関東軍とそれを抑えることができなかった参謀本部双方に処分を課すといった“喧嘩両成敗”的な処分を行ったが、関東軍参謀として事件拡大に深く関与し「事実上の関東軍司令官」とまで呼ばれた辻政信中佐を、元陸軍大臣の板垣や、参謀本部総務課長笠原幸雄少将からの「将来有望な人物」という陳情によって左遷的異動で済ますなど、のちに禍根を残すような処分もあった。ほかにも、膠着した日中戦争の指導など難問が山積しているなか、人の話をよく聞き、人情の機微を知り尽くして、抜群の調整能力を発揮する阿南の仕事ぶりは周囲が皆認めるところとなり、声望は日に日に増して将来の陸軍大臣との呼び声も上がるようになったが、阿南自身は「（軍人ハ）政治ニ拘ラス」の信条通り、自ら政治的発言をすることはなく、政治的な動きは軍務局長の武藤章中将に一任していた。