1937年（昭和12年）から航空畑に転じ、明野陸軍飛行学校長、航空兵団司令部付などを歴任。1940年（昭和15年）、陸軍中将・第5飛行集団長となり、さらに第5飛行師団長、第3航空軍司令官などを経て、1944年（昭和19年）2月に第31軍司令官となり、サイパン島防衛に当たる。6月15日の米軍サイパン上陸時には、幕僚とともにパラオ方面に出張しており、サイパン島周辺が米軍の制空権下に入ったため、司令部に帰還できぬ状況となった。結局、現地を井桁敬治参謀長に任せ、小畑はグアム島から可能な限り指揮を執ることとした。サイパン陥落後、第31軍司令部はグアムで再編成されその防衛に当たる。7月21日に米軍の上陸が開始され、日本軍はサイパンと同様に水際撃退作戦をとるが、激しい砲爆撃により大きく戦力を消耗し後退。8月11日に小畑は玉砕を覚悟した最後の総攻撃を下命するにあたり、天皇ならびに大本営に対し、