בין הנוסעים באוניה "קווין מרי" היה גם הבריגדיר אורד צ'ארלס וינגייט, שפעל אז בבורמה. הוא הצטרף לצוות על פי בקשת צ'רצ'יל שרצה להפגיש את אחד מגיבורי המלחמה של בריטניה עם נשיא ארצות הברית. כתוצאה מהשיחות שניהל צ'רצ'יל עם וינגייט הוא הגיע למסקנה כי יש להגביר את הלחימה בדרום-מזרח אסיה והשיג את הסכמתו של רוזוולט להצעה כי מאונטבאטן ימונה למפקד העליון של בנות הברית בדרום-מזרח אסיה. מאונטבאטן ביקש מברנל כי יצטרף אליו לזירה זו כיועץ מדעי, אבל ברנל העריך כי יוכל לתרום יותר באנגליה בתכנון מבצע אוברלורד (הפלישה לנורמנדי) והעדיף להישאר במטה מבצעים מיוחדים.
מבצע אוברלורד - הפלישה לנורמנדי.
החל ממאי 1942 החלו בעלות הברית לתכנן את הפלישה לצרפת על מנת לפתוח את החזית השנייה. כישלון הפשיטה על דייפ שכנע את המפקדים כי יקשה עליהם להשתלט על הנמלים המבוצרים, והוחלט שיש לבנות נמל זמני בחופי הנחיתה, על מנת לפרוק את הציוד, התחמושת והאנשים לאחר שיאובטח החוף. במרץ 1943 הוטלה האחריות על הביצוע על מייג'ור סטיר-ובסטר (Steer-Webster), מהנדס ממשרד המלחמה. במאי 1943 החליט סטיר-ובסטר לקבל את התכנון שהציע אחד המהנדסים ממשרד המלחמה. הנמל שנבנה מכמה רכיבים כונה נמל מאלברי (Mulberry Harbour – נמל תות העץ). לצורך קבלת ההחלטות ולהבנת השפעת הגלים על הנמל המלאכותי נעזר סטיר-ובסטר בברנל, וכך גם כתב לו שנים אחר-כך "אלמלא העצות התאורטיות והמעשיות שלך לא היו קמים נמלי מלברי".
בדצמבר 1943 מונה מייג'ור-גנרל סר רוברט לייקוק (Robert Laycock) כמפקד החדש של מטה מבצעים משולבים, והחליט להסתפק בברנל כיועץ מדעי (צוקרמן היה עדיין במזרח התיכון, ופייק נשלח למשרד הימייה כנגד רצונו). ברנל נתבקש לחפש מידע על התנאים הפיזיים של חופי הנחיתה (שיפוע, השפעת הגלים והגאות והשפל, מכשולים טבעיים ומלאכותיים וכו'). לברנל היה ידע מקדים על אזור ארומנש (Arromanches), עיירת נופש שבה שהה עשר שנים קודם לכן ושהייתה על קטע החוף המיועד לפלישה המכונה חוף גולד, אבל עיקר עבודתו הייתה חיפוש ספרים בנושא. לצורך כך קיבל ברנל יד חופשית לקחת מהמוזיאון הבריטי כל ספר שירצה ללא הגבלת זמן. מהספרים שמצא, ומסיורים ליליים שבהם נשלחו אנשי קומנדו לחוף הצרפתי ואספו דגימות קרקע שונות שנשלחו לברנל לבדיקה, יכול היה ברנל לספק בסוף ינואר 1944 מידע מהימן על החופים שבהם יכולים היו משאיות כבדות וטנקים לנחות בבטחה, לעומת אלו שבהם כיסוי החול מעל לשכבת הכבול היה מועט מדי ולכן ניסיון לעבור עליהם יגרום לשקיעת כלי הרכב. במקביל עדכן ברנל, תוך שימוש במספר מקורות, את מפת החופים, כולל סימון כל הסלעים התת-מימיים, ואת תרשימי הגאות והשפל. כל זאת עשה, בלא שהייתה לו כל הכשרה אקדמית בהנדסה, בגאולוגיה או בגאוגרפיה. מרכזיותו של ברנל בתכנון הפלישה לנורמנדי קיבלה חיזוק ב-1 בפברואר 1944, עת צורף לתת-הוועדה שדנה ב"תקיפה של חופים מוגנים". באפריל עסק ברנל בשרטוט מיקומם של כל המוקשים בחופים, כפי שנתגלו בצילומי אוויר, תוך ניסיון לשער את כמות חומר הנפץ בהם וסוג המרעום. התוצאה של כל עבודת השרטוט שלו שולבה בהוראות המפורטות של הנחיתה.
בצהרי 6 ביוני 1944, יום הפלישה לנורמנדי, לבוש מדי קצין צי (הצי המלכותי הבריטי מינה אותו זמנית לקומנדר, על מנת שלא יבלוט כאזרח בין כוחות הפלישה), הפליג ברנל בטרפדת מהירה מפורטסמות' אל חוף נורמנדי. הוא עלה על סיפון אוניית קרב ולמחרת, 7 ביוני, נחת בחוף. הוא היה סקרן לגבי איכות המידע שסיפק לצבא במשך ששת החודשים שקדמו לפלישה, כמו גם לגבי התנהלות הצבא בהשוואה לדייפ. הוא סייר בחופים וגילה לכעסו שבוצעה הנחתה גם בחוף שאותו סימן במפורש כבלתי עביר לרכב כבד, וכפי שצפה - רוב הטנקים והמשאיות נתקעו שם בבוץ. ב-8 ביוני סייר סביב העיירות ברנייר (Bernières) וקורסל-סיר-מר (Courseulles-sur-Mer) לפני שחזר לאנגליה בטרפדת שבה הפליג לנורמנדי.
דרום-מזרח אסיה.
באוגוסט 1944 הגיע מאונטבאטן, שהיה אז המפקד העליון של בעלות הברית בדרום-מזרח אסיה, ללונדון על מנת לקבל אישור למתקפה אמפיבית במפרץ בנגל על מנת לכבוש את רנגון מידי היפנים. צ'רצ'יל שכנע את ראשי המטות להעביר ציוד ואנשים לזירת דרום-מזרח אסיה וברנל שוכנע להצטרף לתכנון המבצע. באמצע אוקטובר 1944 הגיע ברנל לקאנדי בסרי לנקה לאחר מסע ארוך דרך המזרח התיכון והודו, על מנת לגלות כי צ'רצ'יל החליט לדחות את המתקפה (מבצע דרקולה) בחצי שנה לפחות. ההתנגדות הגרמנית בצרפת ובאיטליה הייתה חזקה מכפי שציפו ולא ניתן היה לשלוח את הציוד והאנשים הנדרשים למתקפה.
בהיעדר משימה מוגדרת, הפך ברנל ליועץ כללי לענייני חקר ביצועים, והיה חופשי לסייר בתת-היבשת ההודית ככל העולה על רוחו. בתחילת נובמבר הוכיחו ברנל וג'ון קנדרו, אז אחראי על חקר ביצועים מטעם חיל האוויר המלכותי בדרום-מזרח אסיה, כי שימוש בפצצות עומק, שנועדו למלחמה בצוללות, כנגד מטרות צבאיות בג'ונגל, כפי שדרש הצבא, הוא חסר תועלת. באמצע נובמבר סייר ברנל לאורך החזית מול היפנים בבורמה בחצי האי ארקאן (כיום מדינת ראקין בבורמה). בתחילת דצמבר חזר ברנל לשם, לאחר שהתבקש על ידי מאונטבאטן לסייע בתכנון מבצע אמפיבי כנגד האי אקייאב (כיום סיטווה Sittwe), השוכן בערך מול מרכז חצי האי אראקן. שדה התעופה שבאי נועד לשמש כבסיס להתקפה הצפויה על רנגון, כ-500 קילומטרים משם. ברנל סיפק מידע על מקומות סבירים לנחיתה על האי, לאחר שתחקר עובד של חברת תעופה שהכיר את האי היטב. ב-11 בדצמבר 1944 סיכם ברנל את רשמיו במכתב ששלח מאונטבאטן. מן המכתב עולה כי לשהותו הארוכה עם אנשי הצבא הייתה השפעה רבה על ברנל. הפציפיסט האדוק לשעבר ומי שמחה בתקיפות כנגד שימוש במדע לצורכי מלחמה, כתב למאונטבאטן כי השתכנע על פי חקר ביצועים כי הפצצות הטובות ביותר כנגד היפנים המחופרים הן פצצות נפלם וכי הן יעילות פי שלושה מפצצות קונבנציונליות. ברנל המריא מכלכותה חזרה לאנגליה ב-12 בדצמבר. באותו יום פתח הגנרל ויליאם סלים בהתקפה על אראקן. בתחילת ינואר 1945 נכבש האי אקייאב ללא קרב, לאחר שהתוקפים נחתו על החוף שעליו המליץ ברנל.
דו"ח טיזארד.
בראשית 1945, לקראת סוף המלחמה, צורף ברנל, יחד עם היועצים המדעיים האחרים של זרועות הצבא, לתת-ועדה בראשות הנרי טיזארד המסונפת ל"ועדת הלוחמה הטכנולוגית המשותפת" או בקיצור JWTC (ראשי תיבות של Joint Technical Warfare Committee). מטרת הוועדה הייתה "לסקור ולחזות פיתוחים של כלי נשק ושיטות לחימה עתידיות". במסגרת הכנת הדו"ח נסע ברנל באפריל 1945 לצרפת ולחלק של גרמניה שנכבש עד אז על יד בעלות הברית, על מנת לצפות במו עיניו ביעילות של ההפצצות של בעלות הברית. איש מבין החברים בוועדה לא היה שותף סוד לפרויקט מנהטן (פיתוח פצצת האטום), אבל כיוון שבין החברים בוועדה היו פיזיקאים שרבים מחבריהם עבדו בפרויקט תחת מעטה חשאיות, ניחשו חברי הוועדה במה דברים אמורים. בדו"ח הראשון שלהם מ-16 ביוני 1945 (חודשיים לפני הטלת הפצצה על הירושימה) הניחו החברים בוועדה כי קיומו של נשק גרעיני הוא עובדה והתייחסו לסכנותיו. הדו"ח גם ניבא את המצאת מטוס הסילון העל-קולי, צוללות מונעות בכוח גרעיני, טילים וטורפדו בעלי מערכת הנחיה ופצצות שיתבייתו על קרינת מכ"ם. הדו"ח נגנז מיד בשל ההתייחסות לנשק הגרעיני.
יומיים לפני פרסום הדו"ח היו ברנל ושבעה מדענים אחרים אמורים לטוס לברית המועצות לכבוד 220 שנה לייסוד האקדמיה הרוסית למדעים, אלא ששעות לפני ההמראה בוטלה אשרת היציאה שלהם. צ'רצ'יל, שכבר חשד בכוונותיה של ברית המועצות לאחר המלחמה, הורה לבטל את האשרות משום שחשד שברנל וחברו לתת-ועדה, פטריק בלקט (יועץ הימייה) עלולים לגלות סודות לרוסים. בלקט התפטר במחאה, אבל ברנל המשיך לשרת בוועדה על אף שנפגע. באוקטובר 1945 קיבלה הוועדה מנדט חדש מהגנרל גורדון מקמילן, האחראי על החימוש במשרד המלחמה. הוא ביקש מברנל וד"ר הנרי הולם (Henry Hulme), שהחליף את בלקט במשרד הימייה, לנסות להעריך מה נדרש על מנת להרוס את הערים המרכזיות של ברית המועצות באמצעות פצצות אטום ומה תהיה התגובה הרוסית. ב-22 בינואר 1946 מסרו ברנל והולם דוח ביניים על פיו, לאחר שזיהו את 84 המטרות העיקריות לתקיפה כזו, הם חישבו את המרחק שיצטרכו המפציצים הבריטים לעבור על מנת להגיע למטרות אלו. במקביל הם העריכו מה תהיינה המטרות האפשריות העיקריות לתקיפה סובייטית בבריטניה, והמרחק אותו יצטרכו המפציצים הרוסים לעבור. השניים קיבלו הנחיה להמשיך בעבודתם. הדו"ח הסופי הוצג על ידי הולם באפריל 1946 ונכלל בדו"ח טיזארד השני, שהועבר לראשי המטות במאי 1946. הדו"ח, שפירט הערכות של כמות המפציצים ופצצות האטום שכל צד יצטרך להשתמש בהם על מנת להשמיד את מרכזי האוכלוסייה של הצד השני, הראה שבריטניה פגיעה הרבה יותר מברית המועצות וכי די ב-30 פצצות אטום המוטלות על ערי בריטניה על מנת ליצור התמוטטות לאומית וזאת בהשוואה למאות פצצות אטום על ערי ברית המועצות על מנת להשיג אפקט זהה.