Allo scoppio della seconda guerra mondiale von Stülpnagel rimase allo Stato Maggiore tedesco e, il 22 giugno 1940, fece parte della commissione incaricata di ratificare la resa della Francia a Compiègne; dal 20 dicembre 1940 al 4 ottobre 1941 fu posto al comando della 17ª armata di fanteria, partecipando all'Operazione Barbarossa dove operò in Ucraina nell'Heeresgruppe Süd, comandato dal feldmaresciallo Gerd von Rundstedt, avendo una parte importante nella Battaglia di Uman' e nella battaglia di Kiev e, secondo i rapporti sovietici, durante l'occupazione di Leopoli, egli avrebbe incoraggiato l'uccisione di oltre 4.000 ebrei da parte degli Einsatzgruppen che seguivano l'avanzata della Wehrmacht, macchiandosi in forza di questo di crimini di guerra ma le sue responsabilità non sono mai state confermate.