עם פרוץ המלחמה מונה ביירליין לראש מטה דיוויזיית הפאנצר ה-10, ולחם עימה במהלך המערכה בפולין במסגרת קבוצת ארמיות צפון, ובמהלך המערכה על צרפת כחלק מהקורפוס הממונע ה-19 במסגרת קבוצת הפאנצר קלייסט. במהלך מבצע ברברוסה היה ביירליין ראש מטה ארמיית הפאנצר השנייה, ולאחר מכן מונה לראש מטה קורפוס אפריקה. ב-5 באוקטובר 1941 קיבל ביירליין על פעולותיו את עיטור צלב האבירים של צלב הברזל, ובמהלך קרב אל עלמיין השני פיקד ביירליין למשך שבועיים על קורפוס אפריקה. ב-6 ביולי 1943 קיבל ביירליין תוספת עלי אלון לעיטור צלב האבירים של צלב הברזל, וב-25 באוקטובר 1943 מונה למפקד דיוויזיית הפאנצר ה-3, שהייתה חלק מקורפוס הפאנצר ה-3 במסגרת הארמייה השמינית. ב-10 בינואר 1944 מונה ביירליין למפקד דיוויזיית פאנצר להר, ונשלח עימה לדרום צרפת בתחילת 1944, ולאחר מכן הועבר עימה להונגריה לאימונים נוספים, שם קלטה הדיוויזיה לתוכה את רגימנט הפאנצרגרנדיר (חי"ר משוריין) ה-901. במאי חזרה הדיוויזיה לצפון צרפת, בהמתנה לפלישה הצפויה של בעלות הברית. בעת הפלישה לנורמנדי, ב-6 ביוני, פאנצר להר הייתה חלק מהעתודה האסטרטגית המשוריינת של הגרמנים במערב (קבוצת פאנצר מערב), ואחת הדיוויזיות החזקות ביותר בצבא הגרמני, וכללה 14,634 איש, 109 טנקים, 40 תותחי סער, ו-612 זחל"מים - פי שניים ממספר הזחל"מים בדיוויזיות פאנצר רגילות. ב-8 ביוני היא הובהלה לקרבות כנגד התקדמות הכוחות הבריטים והקנדים לעבר קן (הקרב על קן). פאנצר להר ספגה אבדות כבדות במערכה בנורמנדי, וכמעט שהושמדה, ועד ראשית אוגוסט 1944 כללה רק כ-20 טנקים. ב-20 ביולי 1944 קיבל ביירליין תוספת חרבות לעיטור צלב האבירים של צלב הברזל, ובספטמבר נשלחה הדיוויזיה בפיקודו לרענון ומילוי שורותיה, ובנובמבר הועברה לחבל הסאאר, שם סייעה לקבוצת ארמיות G שהייתה נתונה למתקפות כבדות מהארמייה השלישית של ג'ורג' פטון. בדצמבר נשלחה פאנצר להר צפונה, לקחת חלק במתקפה הגרמנית המתוכננת בארדנים (הקרב על הבליטה), וסופחה לארמיית הפאנצר החמישית. ערב המתקפה בארדנים, היא הייתה מתחת לתקן באנשים, בתותחים כבדים ובנגמ"שים, וכללה רק 63 טנקים ו-15 משחיתי טנקים. לאחר פתיחת המתקפה בארדנים היא תוגברה בגדוד משחיתי טנקים כבדים מדגם יאגדפנתר.