Bayerleins næste opgave var i Nordafrika i Afrikakorpset. I slaget ved Alam el Halfa overtog Bayerlein kommandoen, da general Walther Nehring blev kampudygtig den 30. august 1942. Senere gjorde han tjeneste under Erwin Rommel og Wilhelm von Thoma. Han overtog igen kommandoen da britiske tropper tog von Thoma til fange i Andet slag om el-Alamein den 4. november 1942. Da Rommel forlod Tunesien i marts 1943, efter det fejlslagne angreb ved Medenine (Operation Capri), blev Bayerlein udpeget til tysk forbindelsesofficer til den nye leder, Giovanni Messe. I praksis gjorde Bayerlein som han fandt det bedst, og ignorerede italienerens ordrer. Under kampene fik Bayerlein rheumatisme og hepatitis. Han blev sendt til Italien på sygeorlov inden de tyske tropper i Tunesien overgav sig den 12. maj 1943.