V roce 1939 se se svým sborem účastnil invaze do Polska. Zde velel německým jednotkám v bitvě u Kocku mezi 2. a 6. říjnem. Jednalo se o poslední bitvu tohoto konfliktu. V roce 1940 se zúčastnil bitvy o Francii a v roce 1941 balkánského tažení. Za účast v balkánském tažení mu byl udělen Rytířský kříž Železného kříže. Na počátku války proti Sovětskému Svazu 22. června 1941 byl jeho sbor přidělen pancéřové skupině 1, později 1. tanková armáda, která byla podřízena Skupině armád Jih. S touto armádou se von Wietersheim účastnil bitva o Kyjevský kotel. V zimě 1941/42 bránil jeho sbor pozice na řece Mius. V červnu 1942 byl jeho sbor přejmenován na XIV. tankový sbor a v srpnu 1942 byl podřízen 6. armádě pro útok na Stalingrad. V polovině září 1942 byl Wietersheim Hitlerem odvolán, protože navrhoval ze Stalingradu ustoupit. Musel XIV. tankový sbor opustit do 24 hodin a byl ve velení nahrazen Hans-Valentinem Hube. Po odvolání byl poslán do Führerreserve (velitelská záloha) a do konce války již neměl další velitelský post.