武田観柳斎
同年9月、藤堂平助の推薦があった尊皇攘夷論者の伊東大蔵(いとうおおくら、後の伊東甲子太郎)に入隊を促すため、近藤自ら江戸へと帰郷。これに武田は永倉新八、尾形俊太郎と共に帯同した。
慶応元年の4月13日から21日にかけて丹波国南桑田郡馬路村の人見・中川両苗郷士たちを出頭させ拘束の上、尋問を行った。以前両苗郷士たちが一橋慶喜と接触したことを重罪と難詰した。与えられた拷問は過酷なものであり、郷士たちは身体の各所が痛み、「紅涙(悲嘆の涙)」を流すほどだったという。
その後、幕府が最新のフランス式兵制を取り入れると武田の甲州流軍学は時代遅れとなり、隊内で武田の地位は揺らいだ。
慶応2年(1866年)頃より倒幕思想に傾倒し伊東甲子太郎との接触を図ったが近藤に拒絶されたこと、および伊東の側からも新選組からの御陵衛士分離の際に近藤との間でお互いの隊士の相互受け入れを禁止する約定を結んでいたことから武田の受け入れを拒絶されたことで近藤に除隊を願い出、同年9月末から10月初旬に認められ新選組を脱退した。
しかしその後京都で密かに倒幕活動を行っていたことが露見、慶応3年(1867年)6月22日、京都郊外の鴨川銭取橋(竹田街道)にて暗殺された。武田の暗殺には斎藤一が関与したと伝わるが、当時斎藤は御陵衛士に間者として参加していたため有り得ないとされる。