1932年8月，年已64歲的武藤信義繼本莊繁之後，出任關東軍司令官，這是他第二次任職。這一次，他同時兼任關東廳長官和駐僞滿洲國全權大使，實現了日本帝國主義在中國東北的所謂“三位一體”的殖民統治。在日本軍中有着“沉默寡言將軍”綽號的武藤信義一身兼三職，成爲了一言九鼎、大權在握的僞滿洲國的“太上皇”。
武藤信義每月1日、11日、21日都要前往長春僞滿皇宮勤民樓與溥儀會晤，經常與溥儀在一起談佛論儒，談“親善”，也借談中外形勢，向溥儀灌輸日本強大侵略的“正義性”。他表面上對溥儀十分禮貌，但對溥儀提出的要求卻很少滿足。即使他任職時已經是個65歲的白髮老頭，但在溥儀心中，卻是最有權威的人。
1932年9月15日，由武藤信義主持，日本與僞滿政府簽定了全面出賣中國東北主權的《日滿議定書》，然後由武藤信義宣佈日本正式承認僞滿洲國。第二年，他率兵出戰熱河省，擊敗中國守軍，逼迫何應欽簽署城下之盟。1933年5月，由於其在侵華戰爭中的“功勳”以及對僞滿洲國的控制，武藤信義晉升爲元帥，這是他軍事生涯的最高峯。他的老部下、皇姑屯的元兇河本大作在回憶錄中說，武藤元帥“沉默寡言，嚴肅謹慎、勇於爲部下負責”。但出人意料的是，1933年7月，武藤信義猝死於關東軍司令官官邸，這個本來可以統帥日本陸軍的人物，卻在授予元帥之後兩個月就去世了。
