Nach der Landung der Alliierten im Rücken der deutschen Front bei Anzio wurde das Korps in schwere Abwehrkämpfe um den Brückenkopf verwickelt, worauf Schlemm am 11. Juni 1944 das Ritterkreuz des Eisernen Kreuzes erhielt. Anfang November 1944 wurde er von Richard Heidrich abgelöst, um den Befehl über die an der Westfront eingesetzte 1. Fallschirm-Armee zu übernehmen. Mit dieser kämpfte er in den östlichen Niederlanden am Waal und im nördlichen Bereich des Westwalls, bevor ihn die alliierten Offensiven im Februar 1945 zum Zurückgehen an den Rhein zwangen. Am 10. März 1945 befahl er die Sprengung der Eisenbahnbrücke Wesel.