Im Oktober 1626 wurde er zum Gouverneur der eroberten Gebiete in Preußen berufen. Als solcher verhandelte er 1629 – unter Vermittlung Frankreichs – den Waffenstillstand von Altmark. Im Vertrag von Bärwalde schloss Schweden im Januar 1631 ein Bündnis mit Frankreich. Nach der Schlacht bei Breitenfeld am 7. September 1631 wurde Oxenstierna zum schwedischen Bevollmächtigten am Rhein ernannt, mit sehr weit reichenden Befugnissen. Seine Ernennungsurkunde erreichte ihn Anfang 1632.