1944年，战局发展对日本越来越不利，日本统治集团内部的矛盾也不断加剧。东条内阁陷于四面楚歌之中。7月18日，东条内阁被迫辞职，以小矶国昭任首相的新内阁组成。根据东条的提议，梅津接替东条担任参谋总长，负责全面的侵略战争。1944年8月，梅津拟订日本陆海军作战的指导大纲，制定“以帝国本土为核心圈，确保作为资源要域的南方圈，以及联络两者的要域，彻底完成有组织的战争，向使敌屈服迈进”的根本方针。他把自己以前统率的关东军精锐部队大批调往太平洋战场，45年头3个月，24个师团的关东军就被他抽调了21个，代之以从守备队中升级和征召的后备役部队，人数上关东军虽然还保持70万人，可战斗力连以前的三分之一都没有了。
但是，太平洋战场以及日军在亚洲、在中国的军事进攻已呈颓势，他百般无聊之下，连气球飘炸美国的怪招都使出来了。在1944年的菲律宾决战中，由于受到台湾台湾海空战谎报战果的影响，大本营参谋濑岛龙三秉承天皇的旨意，变更预定作战计划，决战地点由马尼拉改为莱特岛，以致莱特湾海战陆海军配合混乱而惨败。1945年4月后，在美国登陆冲绳、苏联废除中立条约，日本甚至要依靠调动中国大陆的日军以维持战局。他在大连和关东军司令山田乙三和中国派遣军冈村宁次举行三巨头会议。指示冈村收缩在武汉以南的兵力，集中4个师团备用。天皇问他收缩兵力对战局有无影响，他上奏道：由于美军飞机以马里亚纳为基地轰炸日本，因此收缩中国占领地对战局并无影响。同年6、7月间，日军大本营统帅部发出“决号作战准备”(即本土作战方案)的指令。7月26日，美、英、中三国发表促令日本投降的《波茨坦公告》。8月6日，美国在日本广岛投下了第一颗原子弹。8月9日，苏联对日本宣战。8月9日，美国在日本长崎投下第二颗原子弹。
顽抗拒降
面对败局，作为参谋总长的梅津美治郎与陆军大臣阿南惟几、海军军令部长丰田副武等仍不甘心失败，要求“死中求生”，顽抗到底，他还宣称“加强防空就能避免原子弹轰炸。我们依然有实力，将来肯定会反攻。”被昭和天皇拒绝。8月15日投降圣断下达后，陆军的首脑被召集到梅津家里开会，河边虎四郎参谋次长代表参谋本部表态：“皇军将遵照陛下的旨意。”接下来签字确认，首先是陆军三长官(梅津参谋总长、阿南惟几陆军大臣、土肥原贤二教育总监)接下来签字的是第一总军的杉山元元帅和和第二总军的畑俊六元帅，梅津接下来说：航空部队也很重要，航空总军的河边正三也有必要签字，获得了赞同。在签署了这个导致日本陆军死亡的文件后他冰冷的说了一句，文件签订后，违犯协议的就会成为叛军。这样就堵死了一切叛乱的合法性。他曾经对别人说过，让他去美国军舰上去签字和让他去死一样。虽然他对战局也不报希望，但他是主张抵抗到底的，要签字的话，让那些主张投降的海军军人铃木贯太郎、米内光政去是最合适的。二二六事件后退出现役的陆军三羽鸟之一的小畑敏四郎中将吼道：输到现在陆军还有什么脸面，如果梅津参谋总长不愿意去，作为陆军的代表我可以去。
密苏里号
9月2日上午，在美国“密苏里号”军舰上举行了签字仪式。外相重光葵、参谋总长梅津美治郎代表日本天皇、政府和参谋本部在投降书上签字。麦克阿瑟代表盟国在受降书上签字。此外，美国代表切斯特·威廉·尼米兹海军上将，中国代表徐永昌上将，英国代表布鲁斯·奥斯丁·弗雷泽海军上将，苏联代表杰列维亚科中将以及澳、加、法、荷、新等国代表分别在受降书上签字。9月9日，侵华派遣军总司令冈村宁次在南京举行中国战区内的无条件投降仪式。至此，给世界人民特别是中国人民带来深重灾难、历时14年的第二次世界大战才正式划上了句号。
拒不认罪
1946年1月，根据波茨坦公告惩处战犯的规定，驻日盟军最高司令部发布特别公告，宣布在东京成立远东国际军事法庭，审判及惩处犯有破坏和平罪、破坏战争法规罪和违反人道罪的日本首要战犯。盟军最高司令部从1945年9月11日开始，先后以重大战争罪犯嫌疑名义，逮捕东条英机等人。梅津虽然长期身居军队要职，罪恶多端，但是美国方面却没有把梅津列入战犯名单之内，后来，苏联以梅津担任关东军司令官达五年之久，阴谋对苏战备为由把他和驻苏大使重光葵逮捕，并被关进巢鸭监狱。远东国际军事法庭于1946年5月3日上午在旧日军陆军省内开庭审判。在审判期间，梅津仍坚持其顽固立场，拒不认罪，自翊为“忠实的军人”，必须“忠实于自己的信念”，以此为由对罪责一概加以推卸。并声称人世间不会对他做出恰当的评价，只有上帝才会对他做出公正的裁决。远东国际军法庭于1948年11月20日以战争罪(十八年间一贯为控制东亚及太平洋的阴谋、对华实行侵略战争、对美实行侵略战争、对英实行侵略战争、对荷兰实行侵略战争，对苏联实行侵略战争、)判处梅津无期徒刑。此时他已经患上直肠癌，这很可能便是有6个法官反对处以他极刑的主要原因(庭上法官总共为11个)。梅津美治郎于1948年12住进同爱医院。1949年1月8日，梅津美治郎因患癌症死于东京巢鸭监狱。
梅津虽然是陆军士官学校毕业的高材生，长期身居军队要职，但留下来的文字材料却很少。自己从不写日记和笔记，不爱说话。绰号“石头人”而且总是拒绝为别人挥笔题字。他一生只为母校熊本陆军地方幼年学校书写了匾额。死时的遗书只有五个字“幽窗无历日”。