Od 2 września do 3 listopada 1942 był dowódcą Afrika Korps, a od 24 października niemiecko-włoskiej "Panzerarmee Afrika". Gdy 4 listopada podczas II bitwy pod El Alamein w Egipcie jego czołg został kilkukrotnie trafiony – von Thoma wyskoczył z niego i stanął spokojnie wśród płomieni palącego się paliwa i ciał niemieckich żołnierzy na niewielkim wzgórzu, gdzie został wzięty do niewoli. Generał Erwin Rommel był później zdania, że von Thoma prawdopodobnie szukał śmierci w walce. Spekuluje się także, że świadomie poddał się Brytyjczykom. Jeszcze w tym samym dniu von Thoma przy kolacji z gen. B. Montgomerym omawiał przebieg walki.