Von Lüttwitz wurde am 1. März 1939 zum Oberstleutnant befördert und erhielt am 27. August 1939 das Kommando über die Aufklärungsabteilung, die er bis zu seiner Verwundung am 2. September beim Überfall auf Polen zu Beginn des Zweiten Weltkriegs führte. Nach einem Lazarettaufenthalt wurde er am 11. September 1939 zunächst in die Führerreserve versetzt und nach seiner Genesung am 1. Juli 1940 zum Kommandeur des Schützen-Bataillons 59 ernannt. Lüttwitz übernahm dann am 4. September 1940 das 1. Bataillon des Schützen-Regiments 11 und wurde am 16. Oktober 1940 zum Kommandeur des Schützen-Regiments 101 ernannt. Nach Beginn des Krieges gegen die Sowjetunion übernahm er in gleicher Funktion am 28. Juni 1941 das Schützen-Regiment 59. Am 1. Oktober 1941 wurde von Lüttwitz zum Oberst befördert. Das Regiment gab er ein knappes Jahr später ab, um die 20. Schützen-Brigade zu übernehmen. Er behielt das Kommando auch nach deren Umbenennung in 20. Panzergrenadier-Brigade. Vom 10. Oktober 1942 bis 4. Mai 1943 fungierte von Lüttwitz als Kommandeur der 20. Panzer-Division an der Ostfront im Bereich der Heeresgruppe Mitte und wurde am 1. Dezember 1942 zum Generalmajor befördert. Er kam anschließend zum Oberkommando der Wehrmacht und war hier als Chef des Sonderstabes bis zum 31. Januar 1944 tätig. Als Generalleutnant (seit 4. Juni 1943) übernahm Lüttwitz dann die 2. Panzer-Division, mit der er nach der alliierten Landung in der Normandie an der Invasionsfront eingesetzt wurde. Nachdem er das Kommando am 4. September 1944 wieder abgegeben hatte, beauftragte man ihn mit der Führung des XXXXVII. Panzerkorps und ernannte ihn am 9. November 1944 unter gleichzeitiger Beförderung zum General der Panzertruppe zum Kommandierenden General des Korps. Während der Ardennenoffensive (ab 16. Dezember 1944) nahm er mit seinem Verband am Kampf um Bastogne bzw. an der Belagerung von Bastogne teil.