В июне 1941 года Буш и его 16-я армия, входившая в группу армий «Север», вторглись на территорию СССР, захватив к 8 сентября Демянск. В последующем армия принимала участие в блокаде Ленинграда, обороняла фронт между Старой Руссой и Осташковым, а также демянский плацдарм. Отбил советское наступление в ходе Старорусской операции. В августе 1943 награждён Дубовыми Листьями к Рыцарскому кресту. 1 февраля 1943 года за успешные оборонительные операции Буш был произведён в генерал-фельдмаршалы, и 12 октября 1943 принял командование группой армий «Центр» Восточного фронта. На этом посту ему удалось отразить советское наступление в ходе Оршанской операции и с большим трудом — в Витебской операции.