Zur Zeit der alliierten Landung in der Normandie, dem Unternehmen Overlord am 6. Juni 1944, war er Stabschef der 7. Armee. In dieser Funktion war er der erste General, der die Verteidigung koordinierte. Seine richtige Einschätzung der Lage konnte jedoch nicht genutzt werden, da die Panzerreserven im Raum Paris nur auf Befehl Hitlers freigegeben werden durften. Pemsel hielt in dieser Lage engen Kontakt zum Oberbefehlshaber West, Generalfeldmarschall Gerd von Rundstedt.