因而，山田乙三下令在“满洲国”实行“全体动员”，从日本移民中征召后备兵员，他计划将关东军兵力由45万扩充到90万。为实现这一目标，山田乙三下令在“满洲国”的日本适龄男子中，除从事行政、治安、交通、通信、军需产业等所必需的约15万人外，其余25万人全部动员起来，编成后备兵团。通过“全体动员”，至1945年上半年，关东军编成师团8个、独立混成旅团7个，以及坦克师团(旅团)和特警队等。
一○○细菌部队用活人进行细菌战实验另一方面，山田乙三开始积极准备细菌战，以弥补兵力不足的问题。
山田乙三同意“日本没有充分的五金矿藏及其他制造武器所必需的原料，所以日本务必寻求新式武器，而细菌武器便是其中的一种”的论调，因而他十分重视细菌武器的生产。他上任不久，就听取了关东军医务处处长冢隆二、兽医处处长高桥隆笃的汇报。
冢隆二和高桥隆笃分别指导、管理着第七三一细菌部队和第一○○细菌部队。他们两人向山田乙三详细报告了准备细菌作战的情况。山田乙三对他们的工作表示满意，并要求他们积极做好战争准备。
随后，山田乙三还亲自到第七三一部队视察，山田乙三视察了第七三一部队各个部门。视察后，山田乙三对该部队细菌研究工作及制造细菌武器的能力，极为赞赏，并且夸道：“我相信第七三一部队的生产能力足以供应在大规模战争中使用细菌武器。”
第七三一部队是日本帝国主义在中国建立的研制细菌武器的主要基地，其前身是1933年在哈尔滨市郊建立的“东乡实验所”，该实验所直接受关东军司令部统辖，对外称为“东乡部队”。1936年，以此实验所为基础，建立了一个关东军特别军事区，实际上是日军专门研究和制造细菌武器的基地。为了掩盖日军准备细菌战的罪行，这个部队对外公开称“关东军防疫给水部”，石井四郎是首任部长。到1941年8月，为了统一部队的番号，“关东军防疫给水部”改称关东军第七三一部队，仍由石井四郎担任部队长。
该部队拥有制造细菌武器和准备细菌战所必需的庞大的、现代化的技术装备，以及大批医学专家和研究人员，他们对所有种类的传染病都进行研究。这些传染病包括鼠疫、赤痢、脾脱疽、霍乱、伤寒、结核、麻风、梅毒等，然后从中选择传染效果最好的细菌，用于制造细菌武器。
为了拟订细菌战的详细计划，1944年末，山田乙三专门召开了一次关东军司令部高级军官会议，讨论战争发生时如何有效使用细菌武器的问题。关东军参谋长笠原行雄、副参谋长池田、作战部参谋竹田宫及作战部部长村野和第七三一部队长北野政次出席了会议。北野政次在会上详细介绍了使用细菌武器的各种办法，得到了山田乙三等人的支持和赞同。拟订详细的细菌战计划后，1945年3月，山田乙三命令第七三一部队和第一○○部队加紧扩大细菌武器的生产，为挽回战争的颓势作垂死挣扎。为此，山田乙三重新启用曾因贪污军费被解除第七三一部队长职务的细菌战专家石井四郎，派他重新担任第七三一部队长，专事负责细菌武器的生产。
石井四郎秉承山田乙三的旨意，领导第七三一部队加紧繁殖细菌，大量生产细菌武器。到1945年7月，第七三一部队已储备了一百公斤以上的鼠疫菌，以及大量的伤寒、霍乱、赤痢、脾脱疽等各种细菌，这些细菌的数量十分惊人。日本专门研究第七三一细菌部队的著名学者森村诚一曾推断：“假如把第七三一部队储存的细菌和数吨跳蚤、老鼠等散布到苏联各大城市，可怕的传染病很快就会蔓延欧洲大陆。从理论上讲，第七三一部队的储备量毁灭全人类也是绰绰有余的。”
山田乙三作为关东军司令官，从上任后，就开始加紧备战，准备同苏联进行持久的战争。进入1945年以后，日本侵略军在各个战场都打得非常辛苦，因而，盘踞在中国东北的关东军也相应地进行了一系列的部署。
1945年5月5日，日本陆军部从中国的其他战场抽调了4个师团到中国东北和朝鲜，加强此处兵力。随后各师团开赴到各自的指定地域。其中，第一一七师团于6月25日开往中国东北洮南；第七十三师团于6月19日开往中国东北通辽；第五十九师团于7月19日开往朝鲜的咸兴；第三十九师团于7月21日开往朝鲜的清原。
1945年6月4日，日军参谋总长梅津美治郎在大连召开军事会议。在会上，梅津美治郎传达了大本营“关于大陆作战命令”，并听取了山田乙三和冈村宁次的军情汇报，会议具体研究了对苏作战的准备问题。
6月14日，山田乙三在新京(长春)召集所属两个方面军司令官以及各军司令官开会，研究制订了“关东军对苏联作战计划”。此外，山田乙三还于6月发布了以作战准则为内容的《关东军战斗教令》，要求关东军将士在以全面持久为目的的作战中，充分发挥力量。关东军原来打算经过这样的周密部署和作战准备，实现对苏的全面持久作战，以保住“满洲国”。
然而，当苏联红军向关东军发起突然进攻后，山田乙三却还是被打得措手不及。关东军在苏联红军的进攻下，倾刻之间全面崩溃。
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