1932年8月，年已64岁的武藤信义继本庄繁之后，出任关东军司令官，这是他第二次任职。这一次，他同时兼任关东厅长官和驻伪满洲国全权大使，实现了日本帝国主义在中国东北的所谓“三位一体”的殖民统治。在日本军中有着“沉默寡言将军”绰号的武藤信义一身兼三职，成为了一言九鼎、大权在握的伪满洲国的“太上皇”。
武藤信义每月1日、11日、21日都要前往长春伪满皇宫勤民楼与溥仪会晤，经常与溥仪在一起谈佛论儒，谈“亲善”，也借谈中外形势，向溥仪灌输日本强大侵略的“正义性”。他表面上对溥仪十分礼貌，但对溥仪提出的要求却很少满足。即使他任职时已经是个65岁的白发老头，但在溥仪心中，却是最有权威的人。
1932年9月15日，由武藤信义主持，日本与伪满政府签定了全面出卖中国东北主权的《日满议定书》，然后由武藤信义宣布日本正式承认伪满洲国。第二年，他率兵出战热河省，击败中国守军，逼迫何应钦签署城下之盟。1933年5月，由于其在侵华战争中的“功勋”以及对伪满洲国的控制，武藤信义晋升为元帅，这是他军事生涯的最高峰。他的老部下、皇姑屯的元凶河本大作在回忆录中说，武藤元帅“沉默寡言，严肃谨慎、勇于为部下负责”。但出人意料的是，1933年7月，武藤信义猝死于关东军司令官官邸，这个本来可以统帅日本陆军的人物，却在授予元帅之后两个月就去世了。
