En 1939 tomo parte en la Invasion de Polonia y sirviendo a las ordenes de Ernst Busch en el 16º Ejercito en la ofensiva contra Francia y los Paises bajos en Mayo de 1940. Durante el año siguiente estuvo al mando de Heinz Guderian en la Operacion Barbarroja, siendo promovido a comandante del 41º Ejercito Panzer en Octubre de 1941. En Enero de 1942 fue transferido al 9º Ejercito. En esta campaña, encontrandose bajo ataque de los partisanos rusos, solicito el envio de un Cuerpo Panzer para proteger las tropas, cosa que fue negada por Hitler, Model arguyo que un comandante en el frente tenia mejor apreciacion de los hechos, consiguiendo el envio de lo solicitado.

A pesar de sus desaveniencias con Hitler, Model fue promovido a General en Febrero de 1942; en su retirada de Rusia durante la campaña de 1943, ordeno la destruccion de todo lo que quedaba al paso de los ejercitos alemanes. En Marzo de 1944 reemplazo al Mariscal de Campo Erich von Manstein como comandante en Jefe en la Union Sovietica. En Agosto de 1944 fue transferido al frente del Oeste donde sucedio a Gunther von Kluge; sin embargo, despues de 18 dias fue reemplazado por Gerd von Rundstedt, siendo enviado como comandante del Grupo de Ejercitos B en Holanda y Belgica donde lucho por contener el avance aliado. En octubre de 1944 estuvo presente en la Ofensiva de las Ardenas.

En 1945 debido a un enfrentamiento con Hitler por su deseo de retirar las tropas hacia el Rhin fue relevado de su cargo. Previendo que seria tratado como criminal de guerra si se rendia, se suicido en Abril 21 de 1945.