帰国後の1939年（昭和14年）5月に発生したノモンハン事件では、関東軍作戦主任参謀として作戦の積極拡大を作戦参謀の辻政信とともに主張したが、ソ連軍の大規模攻勢によって日本軍は大打撃を被った。
归国后不久，1939年5月爆发了“诺门罕事变”，服部此时也为关东军作战参谋主任，与参谋官辻政信共同力主将战事扩大化，却反遭苏军反击，日军受到重大损失。