El 25 de noviembre de 1940 se confió a Lemelsen el mando del nuevo XLVII Cuerpo de Ejército Motorizado, con el que tomó parte en la "Operación Barbarroja", participando en la toma de Smolensk y en las batallas de Kiev y Briansk. El XLVII Cuerpo pasó a ser el XLVII Cuerpo de Ejército Panzer en junio de 1942, tomando parte con su nueva denominación en operaciones contra los partisanos y en la batalla de Kursk.