日本侵略军占领南京后，继续向杭州进攻。12月24日，杭州沦陷。这样，包括南京在内的长江下游三角地区完全落入日寇手中，但是武藤章所计划的“速战决胜”却没有得逞。随着日本侵略军在中华大地上的肆虐，激起全国人民的抗日斗志，日军逐渐陷入“持久战”的泥潭之中。进入1938年，大本营对在华日军重新进行了布署。7月上旬，武藤章转任华北方面军副参谋长，时任方面军司令官的是大将寺内寿一，而参谋长则是中将山下奉文。华北方面军是日寇侵入并控制华北的重要军事力量，所属军队部署范围相当大，包括：第一军控制山西省，司令部驻于太原；第十二军控制着山东省，司令部驻于济南；华北方面军司令官则直接控制河北省。为了加大对华北及其外围地区的控制，日军大本营从察哈尔到内蒙古另外配置了蒙疆军，虽然该部仅有作战指挥权，军政与华北方面军分开，直接接受东京的指挥，但实际上增强了华北方面军的侧翼力量，使其更加有恃无恐。
1938年，华北方面军的作战重点开始转向针对中国共产党及其所领导的抗日游击活动，进行的所谓的“治安”战。武藤章当上华北方面军司令部副参谋长后，参与指挥了当年秋季对晋察冀边区的围攻作战，以及冬季至第二年春季对冀中地区的五次围攻作战等。武藤章热衷于“治安”作战，并非是他不想“速决取胜”了，而是遭遇中国人民的反抗，尤其是中国共产党领导人民群众在敌后广泛建立的抗日根据地的抵抗，华北日军陷入了人民战争的汪洋大海之中，而不得不先图巩固已占地区。
华北地区表面上虽然早已被日军所侵占，但实际上，日本军队仅能占领和盘踞在铁道和主要公路沿线，实行所谓的“点线控制”，广大的纵深地带是八路军的抗日革命根据地的天下，日军据点经常遭到八路军及民兵武装力量的机动灵活的突袭。八路军在山西省的山岳地带开辟了新的根据地，并在平汉线和津浦线之间丘陵地区、山东省的山地以及冀东地区不断扩大抗日力量，进行游击战，把日本侵略军打得焦头烂额，苦不堪言。
面对这样一种狼狈处境，武藤章拼命鼓吹进行针对八路军抗日根据地的“大扫荡”，并且建议将“扫荡”主要集中于山西地区，从而开始了对我抗日根据地的疯狂“扫荡”和烧、杀、抢、掠。
1938年10月，武藤章凭其侵略“功勋”被晋升为少将。
1939年初夏，日军在华北多次“扫荡”，但收效甚微，仍不能完全控制华北地区。日军指挥部据情报分析认为，天津租界是抗日分子的重要根据地和军需供应来源，要“强化华北治安”，必须先控制天津租界。当时天津有英、法、意和日本4国租界，其中主要是英、法租界，按照租界条例，受日军控制的政权力量或日寇自己的军事力量都无权干涉其他租界内部事务。虽然英、法对日寇侵华采取绥靖态度，但本身也不希望日本独占中国，因而暗中支持和保护中国抗日力量，这使日寇怒不可遏。日本驻天津总领事和驻天津负责维持治安的第二十七师团师团长本间雅晴中将再三与英、法租界当局交涉无果。1939年6月，日军为了向租界当局施加压力，干脆封锁了英、法租界。
日、英两国于7月上旬在东京举行日英谈判，以解决封锁租界的问题，武藤章以驻军代表身份参加了谈判。英国想息事宁人，而接受了日方条件，双方缔结了《有田?克琪协定》。
同年9月，参谋长山下奉文被任命为第四师团师团长调往满洲，不久，武藤章也于10月离开华北，转任陆军省军务局长。
自1937年11月赴华至1939年10月回国，武藤章在中国战场整整忙碌了两年，然而事实上却“一无建树”，他猖狂叫嚣的“一击论”、“速胜论”被中国人民的顽强抵抗所彻底打破。武藤章直到这时才意识到要“重新认识中国人”，而不得不感叹“我在华中、华北两年间见到的中国人，全部带有同样的抗日、排日色彩，确实值得惊奇，这种抗日思想是全民族的”。
但遗憾的是，他并没有认识到这场侵略战争的卑劣，也不是出自忏悔之心而发现这种“全民族的”反抗精神，反而更加强调这是“中国的收回国权，收复失地的民族运动和日本的大陆发展政策的冲突”，“实际上应该看作大和民族与中华民族的民族抗争”。对于日本的失败，他则是愤怒地哀叹“深切感到日本在政治和外交方面是多么贫乏无力”。他对这场战争毫无悔过之心，由此便可见一斑。
武藤章回国担任陆军省军务局长之后，正是日本法西斯势力不断推动侵略战车，扩大战争范围的时期，他积极参与了对华、对苏、对美英等国侵略作战的策划活动。
1940年7月20日，近卫文再次组阁，内阁中陆相由力主“南进”侵略的东条英机中将就任。当时日军在中国战场上进展不大，因而大本营期望中日战争能尽早解决，以腾出手来对付美、英，于是采取了诱降国民政府的策略。在南京成立了“汪精卫政权”，但情势尚不能使大本营满意。英、美继续坚持援助重庆的立场，从法属印度支那和缅甸运输武器物资，支持重庆。
在这种情形之下，大本营内部以东条英机为首的军部强烈要求日本实施“南进”计划，占领资源丰富的东南亚地区。1940年7月，日军出兵占领法属印度支那的南部，迈出了“南进”计划的第一步，这显然严重威胁了英、美两国在东南亚地区的既有殖民利益。英、美两国采取冻结国内的日本资产，对日进行石油等战略物资的禁运作为对日本的制裁。从1941年春起，日、美双方开始了缓和两国关系的艰难的和平谈判，但双方无法达成妥协，矛盾反而日益激化。陆相东条英机干脆主张停止对美谈判，直接使用武力解决问题，黩武好战的武藤章自然十分赞同东条英机的对美态度。
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