辞職すると明治43年(1910年)5月30日、陸相のまま第3代韓国統監を兼任し、同年8月22日の日韓併合と共に10月1日、朝鮮総督府が設置されると、引き続き陸相兼任のまま初代朝鮮総督に就任した。陸相兼任は第2次西園寺内閣の成立で石本新六が陸相に就任するまで続いた。わたる多岐な権限を持った。寺内は憲兵に警察を兼務させる憲兵警察制度を創始し、朝鮮の治安維持を行ったことなどに対して、後に武断政治と評価された。5年(1916年)6月24日、元帥府に列せられる。10月16日に総督を辞任し、10月19日には内閣総理大臣に就任。朝鮮総督としての功績を認められてのことである。寺内の頭の形がビリケン人形にそっくりだったことから、これに超然内閣の「非立憲」をひっかけて「ビリケン内閣」と呼ばれた。時は第一次世界大戦の最中であり、寺内は大正7年(1918年)8月2日にシベリア出兵を宣言したが、米騒動の責任をとって9月21日に総辞職した。寺内自身は内閣末期には既に病気がちであり、翌年に心臓肥大症のため病没する。墓所は生誕地である山口市宮野に所在し、子息の寺内寿一の墓もそこにある。移され、さらに朝鮮関係の一部は韓国の慶南大学校に移管された[3]。寺内桜圃文庫の元の建物は、2011年現在も山口県立大学に隣接する形で残されている。初代朝鮮総督で内閣総理大臣も務めた寺内正毅(1852~1919)が記した私信など約860点が神奈川県大磯町の寺内家から発見され、山口県立大学へ寄贈された。伊藤博文が暗殺前に送った手紙や朝鮮総督および内閣総理大臣への任命辞令も見つかっている。新資料は山口県立大の伊藤幸司准教授によって整理された。山口県立大には、寺内家の蔵書をもとに作られた桜圃(おうほ)寺内文庫があり、所縁が深い。特別展「宮野の宰相・寺内正毅とその時代」が開催された。伊藤は4月、朝鮮半島資料に富む桜圃寺内文庫の研究成果を1万6200円の大著に纏め、勉誠出版から刊行した。乃木希典将軍が1912年殉死する直前に送った和歌2首も発見されている。寺内正毅は長州閥の一員で、故郷の同志とずっと親交していた。その歌には、「遠きえみしもまつろひにけり」という文句があり、互いが大陸を征服したことに誇りを抱いていることを感じ取れる。長州出身の桂太郎や森鴎外軍医から送られてきた私信も寄贈されている。右手の自由が戦傷で効かなかった寺内は、1916年総理大臣になった時もシベリア出兵を断行し、武断政治の統治スタイルを継続した。