对于日本不断提出的各种“权益要求”，他要么设法推脱，要么就干脆不办，特别是在1927年就任“中华民国陆军大元帅”，并组织起“安国军政府”后，他力图摆脱日本人控制的姿态愈发明显。这一方面是张的实力增长的原因，另一方面也与当时中国风起云涌的反日浪潮关系甚大。张作霖并不傻，如果他对日本人俯首帖耳，甘做傀儡，不但日本人不会给他的将来带来任何好处，国人更会对他唾弃，这可不是他想要的。
1927年夏的东方会议后，日本对华政策进行了大幅度调整，“强硬外交”的色彩渐趋浓厚。
日本方面对张作霖的“不听话”自然极为不满，为了能够顺利地将“满蒙”从中国分离出去，必须扫除一切障碍。日本人原来指望张作霖会成为推动这一进程的积极因素，没想到结果却是恰恰相反，于是要铲除这一“祸患”的念头开始在关东军内部酝酿。
1928年春，蒋、冯、阎、李四派新军阀联合“北伐”，奉系军队节节败退。就在这一危急时刻，土肥原受命出任张作霖“中华民国镇威上将军公署顾问”。
张作霖的“变节”使得土肥原贤二很是颜面扫地，因为他曾力主关东军大力支持张作霖，并“错误”地判断张会听命于日本。因此，他很希望能够通过这次担任张作霖顾问的机会，尽力挽回面子，并为“帝国之伟业”建立功勋。
当时北伐的情形土肥原当然明白，张作霖在北伐联军面前已经无力回天，败走东北在所难免。土肥原担心的是，如果北伐联军迫近平津，战乱很有可能会波及到“满洲”，关东军梦寐以求的“满洲”独立计划也可能因此而鸡飞蛋打。为此，他一面急电日本参谋本部派兵阻止联军北上，一面对张作霖施加压力，逼迫其尽早返回奉天。张作霖对土肥原的巧舌如簧置若罔闻，就是不愿离开北平。
事已至此，土肥原这个原本力主支持奉系的人，终于坚定了除去张作霖的决心。原因并无其他，只是像张作霖这样羽翼已丰就不听招呼的人，即使回到“满洲”也不会对日本经营“满洲”的计划带来任何好处，还是尽快除去，另换听话的。土肥原开始与关东军高级参谋河本大作密谋，准备暗中炸死不听话的张作霖。
6月2日，面对大势已去的局面，张作霖才不得不宣布“退出京师”。6月3日晚，北京站。站台上，土肥原貌似不舍地、真挚地握着张作霖的手，口里说着祝福的话，一副依依惜别的样子。专列终于开动了，目送着张作霖所乘坐的火车渐渐消失在夜色中后，土肥原的心中也许暗道：“永别了，张大帅，你不会看到明天的太阳了!”或者是“你永远不会有机会回到北平了”。
次日清晨5时23分，当专列行至奉天皇姑屯火车站京奉线与南满线铁路交会处时，一声巨大的爆炸声响起，张作霖这个一代枭雄就这样被送去见了上帝。
关东军除去张作霖后，东北的局势并未如其所愿向前发展，土肥原贤二后来自己也曾说“皇姑屯事件未能引起东北混乱，以便关东军出兵干预。相反却促使张学良因家仇而更加坚定了易帜的决心”。因而此次事件后，日本最高当局对土肥原、河本大作等人的“擅自行动，一意孤行”十分不满。河本大作被处分，但土肥原则侥幸逃脱了惩罚，得以继续参与日军对中国的侵略活动。
1930年12月，一场下了整整一星期的大雪过后，天地间只是一片茫茫白色，街上的行人很少，显得十分冷清。在日本关东军军部的会议室里，日本参谋部、陆军部、海军部、天津驻屯军等方面的代表，以及特务机关的土肥原贤二、板垣征四郎、石原莞尔等人，正威严地坐在一起，好像等着什么重要人物到来似的。
“立正!永田少将到。”随着传令兵的声音，室内的人“唰”地一声都笔直地站了起来。永田示意出席会议的人坐下后开门见山地说：“中国是一块肥肉，现在谁都想吃。我们当然不能袖手旁观。这是军部最近拟订的一份长期计划，先请大家看一下。”
见大家都看过了文件，永田接着说：“我方必须占领全中国。作为第一步，我们先要占领东北三省，成立一个政府。这样，我们就有了立足之地。然后，我们将进占热河、唐山、遵化、密云、直逼天津……各位的职务及所负责的具体工作，文件上都已标明。须指出的是，这些活动，均归土肥原贤二阁下及板垣征四郎具体指挥。明白吗，土肥原阁下?”“哈依!”土肥原站立起来，响亮地回答。于是，土肥原被派往天津建立特务机关，任机关长，具体负责对华北的特务活动，土肥原此时开始为更大的权力和更广阔的侵略“事业”而自得不已。
在此之前，土肥原贤二于20世纪20年代就曾利用与阎锡山在日本陆军士官学校同学的关系，一再拉拢阎锡山为日本侵华政策服务。在土肥原贤二的精心安排下，1919年至1920年，日本在天津的驻屯军司令官铃木高桥先后两次到山西与阎锡山会晤，以建立所谓的“日阎亲善友好关系”。土肥原贤二也多次到山西与阎锡山“叙旧”，并多次以到山西旅行为名，详细侦测山西省的军事地理状况，尤其把雁门关一带作为侦测重点，为以后日军侵犯山西做准备。
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