扶植伪满
在日本侵略者策划成立东北傀儡政权的过程中，板垣征四郎奉命再次充当急先锋。1931年9月22日，板垣在沈阳参加关东军秘密会议。会议炮制出“满蒙问题解决方案”，提出以溥仪为“元首”建立“新政权”，“领土包括东北四省及蒙古”、“国防和外交由日本帝国掌握”。板垣在会后秘访哈尔滨特区行政长官张景惠，促其“独立”。9月27日，张景惠宣布成立“东省特区治安维持会”并自任会长，暗中策划“独立”。在板垣征四郎派人策动下，9月28日，清朝“闲散皇族”熙洽公布伪吉林省高官公署组织大纲，宣布吉林“独立”。9月30日，板垣征四郎还曾派人去天津诱骗溥仪前往东北“复位”，因内部意见分歧而未成功。10月1日，洮南镇守使张海鹏宣布洮南“独立”。12月16日，前辽宁省主席臧式毅出任伪奉天省高官。1932年1月1日，张景惠出任伪黑龙江省高官。
1931年10月21日，板垣征四郎、石原莞尔在国际法顾问松木侠的协助下炮制出“满蒙共和国统治大纲草案”，提出了全面控制“新政权”的具体措施。1932年1月6日，板垣征四郎携带关东军司令官的指示前往东京向政府汇报。裕仁天皇破例召见板垣征四郎。陆军省、海军省和外务省根据汇报炮制出“满洲问题处理方针纲要”，要求加速建立受日本控制的“独立国家”。1932年1月22日，关东军司令部召开“建国幕僚会议”，讨论建立“新国家”的有关条款和纲领。1月27日，板垣征四郎根据会议决定组织拟制“新国家建设顺序的纲要”。2月16日，板垣征四郎策划组织了筹备建立伪国家的沈阳“四巨头会议”(张景惠、熙洽、臧式毅和马占山)。接着，板垣征四郎奉命前往旅顺，以威逼利诱的手法逼溥仪就范。1932年3月1日，伪“满洲国”宣告成立，溥仪为伪“满洲国”执政。可见，板垣征四郎为伪满洲国建立立下了“汗马功劳”。
策划自治
1933年2月，关东军大举进犯热河。板垣征四郎上阵，从奉天奔赴天津，建立“板垣”机关，负责北平和天津方面的“谋略”工作，配合关东军长城作战，企图策动“华北自治”，以炮制出一个和“满洲国”相似的----傀儡“华北国”。
刚到天津，板垣征四郎就立即向日本军部提交了一份分裂华北的计划。在这项“计划”中，板垣征四郎根据对中国情报的刺探，把华北的中国军政要员分为四派:蒋派、反蒋派、现状维持派、首鼠两端派。他认为可以通过策反工作，利用后三派及北洋军阀的残余势力，从而将蒋介石在华北的力量排挤出去，再以这些人为骨干，建立起由日方操纵的傀儡政权。获得军部首肯和支持后，板垣征四郎开始秘密实施这一计划。他先是和战犯土肥原贤二计划，策反北洋军阀段祺瑞、吴佩孚和孙传芳，在北平成立亲日政权。但这些人物对于板垣的登门拜访要么让其吃闭门羹;要么就是嘴上答应，实际不行动;总之板垣征四郎的计划一直难以得逞。板垣征四郎后来看上了曾任湖南省督军的张敬尧。1933年5月7日，汉奸张敬尧在所居六国饭店被刺，板垣征四郎花了700万元的钞票，结果却是竹篮打水一场空。关东军武藤信义司令对板垣征四郎这段期间的活动极为不满，撤去了他奉天特务机关长兼天津特务机关长的职务。接着，命他以“参谋本部特派员”身份去欧洲、印度、菲律宾及南洋群岛等地“视察旅游”一番，先离开对华工作一段时间。
1934年8月1日，板垣征四郎调任“满洲国”军政部最高顾问。同年12月关东军人事变动，菱刈隆奉调回国，南次郎继任，冈村宁次调到参谋本部任军事顾问，板垣征四郎则被晋升为关东军副参谋长，兼驻“满洲国”武官。1936年3月，升任参谋长。直至1937年3月调任广岛第五师团师团长以前，板垣征四郎在关东军任职的这两年半时间里，一方面继续强化日本对“满洲国”的统治，另一方面，不愿放弃“华北国”的梦想，伙同土肥原贤二先是策动内蒙独立，后是苦心孤诣地策划所谓“华北自治”。
关东军的内蒙古工作早在板垣征四郎出任关东军副参谋长之前就已经展开，并先后在乌珠穆沁右旗、阿巴嘎旗建立了特务机关。板垣征四郎出任关东军副参谋长和参谋长期间，曾先后三次“不辞辛劳”地亲赴内蒙古，为日本谋求在内蒙古的“权益”而竭尽全力。
板垣征四郎不仅亲自帮助扩建蒙古军队，促成德王与关东军司令南次郎会谈，而且企图把内蒙古从中国分裂出去，阴谋策划内蒙古“独立”，制造一个由日本人控制的“蒙古国”。但这个企图遭到了中国军队的坚决反击。1936年百灵庙战役傅作义部大捷，蒙古军4个旅反正，板垣征四郎派到蒙古军中的顾问田中隆吉狼狈逃跑。这是九·一八事变以来中国取得了局部抗战的第一个全胜，这一胜利推动了全国抗日热潮的迅速高涨。
横行华北
1937年3月1日，板垣征四郎返回日本，本来他的好友总参作战部长石原莞尔想推荐他担任林铣十郎内阁的陆军大臣的，但陆军次官梅津美治郎不能容忍板垣爬到他头上，改任日军陆军第五师团长。该师团辖第9旅团和第21旅团，号称日本精锐师团。1937年7月7日，日本挑起卢沟桥事变，发动全面侵华战争。板垣征四郎率第5师团由广岛出发，途经朝鲜釜山，于8月间到达天津，先是板垣师团接到的命令是攻占南口，保障主力的侧翼，但先是在南口天险遭到汤恩伯军团的坚决抗击，后来侧翼和后路又遭到卫立煌军团的冲击，日军华北方面军司令寺内寿一投入牛岛满旅团才避免了板垣征四郎被合围的危险。接着关东军参谋长东条英机率领察哈尔兵团四个旅团，迅速击败了刘汝明的部队，威胁到南口汤恩伯军团的后方，汤恩伯被无奈放弃南口，在这一系列中日双方复杂的机动作战之后，板垣征四郎才完成方面军交给他保障主力侧翼的任务。
日军为了进行预定的保定-涿州大会战，进行了兵力大集中，板垣征四郎的一个旅团(第9旅团5个大队)也被抽调，板垣征四郎不甘心就这样带着半个师团守在南口，随联络东条英机兵团，沿着平绥线两侧，紧追败退的傅作义第七集团军，相互呼应共同向绥远发起进攻，把战局扩展到华北屋脊的山西高原，这一举动完全超出了大本营和华北方面军的计划之外。9月初，在东条英机兵团把中国军第二战区主力吸引到大同附近后，板垣征四郎突然兵锋一转，打垮了晋军刘奉滨师，飞兵直取平型关，沿着几年前借着参拜五台山就勘查好的路线，突破了内长城一线，至此山西北部门户洞开，第二战区司令长官阎锡山如梦方醒，慌忙调兵堵击，并杀了作战不利的军长李服膺祭旗，终于因为配合不力，指挥混乱，9月28日茹越口天险被日军突破，晋军被迫全线后撤，断后的姜玉贞旅以生命为代价死守原平县十天，为中央军卫立煌等部八万援军赶赴忻口赢得时间。10月13日，板垣征四郎率第5师团(加上配属的独2、独15旅团共计16个大队3万人95门炮)正面冲击20万中国军队坚固防守的忻口阵地，这是最疯狂的指挥官干出最疯狂的事。忻口战役血战23天，在日军的猛烈炮火下，中国军队第九军军长郝梦龄以下数名将官及十万将士死伤。10月26日，已经攻克保定、石家庄的日军主力分兵一个师攻陷山西东部门户娘子关，向太原急进，忻口中国军队腹背受敌。11月3日弃守。板垣征四郎破围而出，穷追处于崩溃状态的几十个中国师。11月9日，攻陷太原。
1938年初，板垣征四郎再次率领半个师团在山东登陆，会合自南京归还建制的第九旅团，占领山东全省，接着在临沂和西北军庞炳勋、张自忠两部五、六万人大战受阻，形成拉锯状态，在听闻第十师团濑谷旅团在台儿庄战役陷入重围后，板垣征四郎亲自带2个大队坚守汤头镇牵制张自忠和庞炳勋，命令坂本顺带来4个大队，在汤恩伯7万大军中穿阵而过，救出濑谷旅团一起撤退到峄城固守。一个月后卷土重来，参加了徐州大包围战。