W lipcu 1944 jako szef sztabu XXXXVIII Korpusu Pancernego bezskutecznie próbował zapobiec okrążeniu Brodów na początku operacji lwowsko-sandomierskiej. Kiedy wybrani dowódcy zostali przeniesieni, generał von Mellenthin zastąpił generała Hermanna Balcka, który został mianowany dowódcą 4. Armii Pancernej w sierpniu 1944, w trakcie dalszych etapów walk w zachodniej Ukrainie i południowo-wschodniej Polsce. W tym czasie siły marszałka sowieckiego zmusiły do wycofania siły niemieckie za rzeką San, tworząc przyczółek, który odegrał pewną rolę w przygotowaniu do operacji wiślańsko-odrzańskiej stycznia 1945.