หลังจากมีความขัดแย้งกับสมาชิกระดับสูงในคณะราษฎรด้วยกันเองมาตลอด พระยาทรงสุรเดชก็ได้เดินทางไปพำนักที่ประเทศศรีลังกาเป็นระยะเวลา 2 ปี จนกระทั่ง พ.ศ. 2481 เมื่อเห็นว่าสถานการณ์เหมาะสมแล้วจึงเดินทางกลับประเทศ และเสนอต่อกระทรวงกลาโหมขอตั้งโรงเรียนรบขึ้นที่จังหวัดเชียงใหม่ สภากลาโหมอนุมัติ จึงทำนายทหารระดับหัวกะทิทั้งหมด 29 นายขึ้นไปเรียนที่นั่น แต่ทาง หลวงพิบูลสงคราม นายกรัฐมนตรีเกรงว่าจะเป็นการซ่องสุมผู้คนก่อการกบฏ จึงส่งหน่วยสอดแนมไปติดตามดูความเคลื่อนไหวเป็นระยะ

เมื่อนักเรียนรุ่นแรกศึกษาจบแล้ว พระยาทรงสุรเดชได้นำลูกศิษย์ตระเวนดูงานทหารตามกรมกองต่าง ๆ แต่เมื่อถึงกรมทหารราชบุรี ได้ถูกยื่นซองขาวมีข้อความให้ออกจากราชการโดยไม่มีเบี้ยหวัดบำนาญ พร้อมกับบีบบังคับให้เดินทางออกสู่ต่างประเทศ

พระยาทรงสุรเดชพร้อมนายทหารคนสนิทเมื่อถูกกล่าวหาว่าเป็นกบฏ จึงถูกให้ออกจากราชการโดยไม่มีเบี้ยหวัดและถูกบีบให้เดินทางออกนอกประเทศ ไปพร้อมกับ ร้อยเอกสำรวจ กาญจนสิทธิ์ นายทหารคนสนิท โดยถูกควบคุมตัวขึ้นรถไฟไปที่อำเภออรัญประเทศ และเดินทางข้ามพรมแดนต่อไปยังประเทศกัมพูชาซึ่งในขณะนั้นเป็นดินแดนในอาณานิคมของประเทศฝรั่งเศส หลังจากที่ลี้ภัยอยู่ที่กัมพูชาได้ไม่นาน ทางการกัมพูชาก็ไม่อนุญาตให้อยู่ จึงต้องเดินทางไปพำนักอยู่ที่เมืองไซ่ง่อน โดยมีภริยาติดตามไปด้วย จากนั้นจึงได้รับอนุญาตให้กลับมาที่พนมเปญอีกครั้งหนึ่ง ซึ่งในระหว่างที่ยังพำนักอยู่ที่เมืองไซง่อน พระยาทรงสุรเดชได้เขียนบันทึกไว้เล่มหนึ่ง ในปี พ.ศ. 2482 เกี่ยวกับเหตุการณ์เปลี่ยนแปลงการปกครองทั้งหมด ตลอดจนความล้มเหลวของผลในการเปลี่ยนแปลงครั้งนี้ ซึ่งบันทึกเล่มนี้ต่อมาได้ถูกตีพิมพ์เป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2513 ในชื่อ "บันทึกพระยาทรงสุรเดช"

ชีวิตพระยาทรงสุรเดชที่กัมพูชา ไม่มีทรัพย์เงินทองเหลือติดตัวอยู่เลย ต้องหาเลี้ยงชีพด้วยการทำขนมกล้วยขายพร้อมกับภริยา ซึ่งต้องลงมือโม่แป้งด้วยตนเอง รวมทั้งรับจ้างซ่อมจักรยาน[17] [18]

ซึ่งช่วงที่อยู่กัมพูชานั้น เมื่อเกิดสงครามมหาเอเชียบูรพาขึ้น ในปี พ.ศ. 2484 เมื่อกองทัพจักรวรรดิญี่ปุ่นได้บุกเข้าประเทศไทย และบีบบังคับรัฐบาลขอใช้ประเทศไทยเป็นทางผ่านเพื่อที่จะบุกไปพม่า และอินเดีย พระยาทรงสุรเดชมีความคิดที่จะต่อต้านญี่ปุ่น โดยคิดว่าจะเดินข้ามพรมแดนไปประเทศไทยตามลำพัง เนื่องจากอยู่ในที่ ๆ ห่างไกลข้อมูลข่าวสาร จึงไม่มีโอกาสได้ทราบว่าในประเทศไทยมีขบวนการต่อต้านญี่ปุ่นกำเนิดขึ้นมาเหมือนกัน พระยาทรงสุรเดชจึงตกอยู่ในสภาพเสมือนว่าต่อต้านญี่ปุ่นอยู่คนเดียว และก็ไม่มีโอกาสได้ลงมือกระทำจริง ต่อมา พระยาทรงสุรเดชสิ้นชีวิตอย่างกะทันหันทั้งที่มีสุขภาพร่างกายแข็งแรงดีมากโดยตลอด เมื่อวันที่ 1 มิถุนายน พ.ศ. 2487 ที่ตำหนักร้างแห่งหนึ่งในกรุงพนมเปญ ประเทศกัมพูชา ซึ่งแพทย์ชาวเยอรมันลงความเห็นว่า เสียชีวิตด้วยอาการโลหิตเป็นพิษ (แต่ก็มีข้อสงสัยว่าอาจเสียชีวิตเพราะถูกวางยาพิษ ทว่าเรื่องนี้ก็ไม่มีข้อพิสูจน์)[19][18]