Ngày 6 tháng 6 năm 1944, phe Đồng Minh phát động Chiến dịch Overlord nhằm giải phóng Pháp và Tây Âu. Sau khi đổ bộ thành công lên eo biển Normandie (Bắc Pháp), các mũi tấn công của quân Anh- Mỹ-Pháp nhanh chóng phát triển mạnh vào nội địa Tây Âu trong 3 tháng 6, 7 và 8. Cùng lúc đó, quân đội Xô Viết đánh tan Cụm Tập đoàn quân Trung tâm của Đức và đẩy mạnh chiến tuyến sang hướng Tây trong Chiến dịch Bagration (23 tháng 6 – 29 tháng 8 năm 1944). Để vãn hồi tình hình mặt trận Xô-Đức, Hitler cử Guderian kiêm nhiệm chức Tham mưu trưởng Bộ Tổng tư lệnh Lục quân (tức "OKH" - cơ quan có nhiệm vụ chỉ huy, quản lý lực lượng Đức trên chiến trường Xô-Đức, khác với Bộ Tư lệnh Tối cao Lực lượng Vũ trang Đức - "OKW" nắm quyền chỉ huy, chỉ đạo các mặt trận khác) vào ngày 21 tháng 7 năm 1944. Dù Guderian hiểu rằng nước ông không còn cơ hội chiến thắng, ông chấp nhận chức vụ này với hy vọng đạt được những thắng lợi phòng ngự đủ lớn nhằm ngăn chặn quân Nga tiến vào bản thổ Đức, đồng thời đặt nền tảng cho việc chấm dứt chiến tranh bằng một hòa ước tương đối có lợi cho Đức. Trong suốt thời gian làm Tham mưu trưởng, ông đã nhiều lần khuyên Hitler thực hiện kế bảo toàn lực lượng, rút binh khỏi các khu vực bị quân Liên Xô hợp vây; nhưng Hitler dứt khoát bắt quân Đức ở các nơi đó phải bám đất chống trả tới cùng. Vì việc này, hai người cãi vã kịch liệt đến mức có lần họ đã suýt đánh nhau nếu như Đại tá Thomale không kéo Guderian khỏi phòng họp (và dĩ nhiên, Hitler tiếp tục làm theo ý mình sau vụ xung đột đó). Guderian cũng đề nghị cầu Hitler để dành lực lượng dự bị Đức cho việc chặn đánh quân Liên Xô ở phía đông, song Hitler lại đem một lượng lớn quân dự bị phản kích vào lực lượng Anh-Mỹ ở Ardennes trong Chiến dịch "Wacht am Rhein" (16 tháng 12 năm 1944 – 25 tháng 1 năm 1945).