ב-13 בדצמבר 2018 מונה לסגן הרמטכ"ל[7], ומילא את התפקיד עד 11 ביולי 2021. בתקופתו כהונתו הוביל תהליכי בניין כוח במסגרת תר"ש "תנופה", הוביל וגיבש את תפיסת ההפעלה כנגד איראן שאומצה על ידי הרמטכ"ל ושר הביטחון ושימש כסגן הרמטכ"ל במסגרת מבצע "שומר החומות". בנאום שנשא זמיר עם סיום תפקיד סגן הרמטכ"ל הוא ציין כי מדינת ישראל עשויה לעמוד בפני מערכה כבדה, ארוכה, רב-זירתית, משולבת באתגרי פנים, במתארי עורף-חזית ועומק. לשם כך, אמר זמיר, יש צורך ביכולת הכרעה, אורך נשימה, עתודה חזקה, יכולות טכנולוגיות מתקדמות, ומסה קריטית של איכות וכמות אנושית. בחודש מאי 2022, בעבודה שפרסם זמיר כעמית מחקר במכון וושינגטון למדיניות, הוא הצביע על שבעה עקרונות, הנדרשים לניצחון על איראן במערכה האזורית. בעבודה ציין זמיר את הצורך להכיר כי מדובר במערכה מתמשכת, רב-זירתית, ורב-תחומית, והדגיש את החשיבות הרבה לפעולה רב-ממדית, להחלשת יכולותיה ולפגיעה בשלוחותיה באמצעות הפעלת לחץ ישיר ועקיף עליהן. ב-13 ביוני 2022 הודיע שר הביטחוןבני גנץ על תחילת התהליך לבחירת הרמטכ"ל ה-23 של צה"ל. זמיר היה מועמד לתפקיד, לצד הרצי הלוי ויואל סטריק. ב-17 ביולי הכריז גנץ כי צמצם את הרשימה להלוי וזמיר וב-4 בספטמבר הודיע כי בחר בהלוי לתפקיד[7].
כמנכ"ל משרד הביטחון
זמן קצר אחרי מינויו של יואב גלנט לתפקיד שר הביטחון הוא בחר בזמיר לתפקיד מנכ"ל משרד הביטחון, וב-1 בפברואר 2023 נכנס זמיר רשמית לתפקידו[8]. עם כניסתו לתפקיד הציג זמיר את יעדי הפעולה המרכזיים: אישור תקציב הביטחון, גיבוש תוכנית רב שנתית למשרד הביטחון ותמיכה בתר"ש צה"ל, הגדלת תקציבי המחקר והפיתוח ובחינת הקמת התארגנויות חדשות במפא"ת ובכלל כך דגש לנושאי AI ורובוטיקה, קידום היצוא הביטחוני, קידום תוכנית שוה"ם 4 לפינוי מחנות צה"ל נוספים ממרכז הארץ, המשך רפורמת "נפש אחת", הרחבת הדיגיטציה במשרד הביטחון, צמצום בירוקרטיה ושיפור השירות לציבור[9][10][11].
זמיר מילא תפקיד זה גם במהלך מלחמת חרבות ברזל, שלאורכה הדגיש את הצורך שישראל תסתמך יותר על בניין כוח בעזרת תעשייה מקומית ותפחית את התלות באספקת תחמושת מארצות הברית. לאחר שהשר ישראל כ"ץ החליף את השר גלנט כשר הביטחון, זמיר ביקש לסיים את תפקידו, אך ניאות להישאר לבקשת השר כ"ץ עד לבחירתו של מנכ"ל חדש[12].