1931年9月18日，日本发动九一八事变，侵占了中国东北。土肥原贤二作为事变的主要策划者之一，积极参与了侵占东北的行动。事变后，他被任命为奉天（今沈阳）市长，并兼任关东军总司令本庄繁的发言人和占领区“自治指导部”的负责人。在任期间，他积极组织日伪地方机构，推行鸦片专卖，毒害中国人民。
为了进一步控制中国东北，土肥原贤二积极策划建立伪满洲国。他利用末代皇帝溥仪的复辟心理，通过威逼利诱等手段，成功将溥仪带到了东北，建立了伪满洲国傀儡政权。
此外，土肥原贤二还积极策划华北自治运动。他通过扶植汉奸、策反国民党将领等手段，企图将华北地区从中国分裂出去。在他的策划下，华北地区出现了多个伪政权，如冀东防共自治政府、冀察政务委员会等，严重破坏了中国的领土完整和主权。
1945年，日本宣布无条件投降。土肥原贤二作为甲级战犯被盟军逮捕，并在远东国际军事法庭上被判处绞刑。1948年12月23日，他在东京巢鸭刑务所被执行绞刑，结束了其罪恶的一生。