Promogut a contraalmirall, tornà a Londres al març de 1942 per tornar a exercir d'agregat naval, servint també com a cap de l'Estat Major de l'almirall Stark, comandant de les Forces Navals dels Estats Units a Europa. Al febrer de 1942, Kirk va servir com a comandant amfibi a la Mediterrània entre 1942 i 1943, participant en la planificació de l'Operació Torxa, la Invasió aliada de Sicília i la Invasió aliada d'Itàlia. Les seva experiència diplomàtica i el seu coneixement de la guerra amfíbia el convertiren en l'elecció natural per ser el comandant suprem naval nord-americà durant l'Operació Overlord, tornant al Regne Unit a mitjans de novembre de 1943. En aquesta posició, Kirk era responsable del transport de les tropes nord-americanes pel Canal de la Mànega, proveint-los de suport artiller naval i defensant les zones de desembarcament de l'amenaça naval alemanya. Kirk temia l'artilleria costanera alemanya, especialment els canons de la Pointe du Hoc, i decidí que els homes embarquessin a les llanxes a 11 milles de la platja, la qual cosa ocasionà que arribessin marejats i dispersos. Durant els desembarcaments de Normandia del 6 de juny de 1944, Kirk s'estigué a bord del creuer pesant USS "Augusta", i el Primer Exèrcit Americà va tornar-se tan dependent del foc de les seves naus que Kirk va haver d'advertir al General Bradley que molts dels seus vaixells haurien de marxar ben aviat per donar suport a la invasió del sud de França. Durant la Campanya de Normandia Kirk també era el responsable del desembarcament dels subministraments via els ports artificials.