ביוני 1941 מונה פון מלנתין לראש מטה קורפוס אפריקה בפיקודו של ארווין רומל, ובספטמבר 1942 מונה לראש מטה קורפוס הפאנצר ה-48, והשתתף עמו בקרבות סביב סטלינגרד, קרב קורסק וקרב קייב (1943). בספטמבר 1944 מונה פון מלנתין לראש מטה ארמיית הפאנצר הרביעית, ובאוקטובר אותה שנה מונה לראש מטה קבוצת ארמיות G. ב-28 בדצמבר 1944 הועלה פון מלנתין לדרגת גנרל מיור, ומונה למפקד דיוויזיית הפאנצר ה-9, שלחמה באותה העת בקרב על הבליטה. במרץ 1945 מונה פון מלנתין לראש מטה ארמיית הפאנצר החמישית, וכיהן בתפקיד זה עד סוף המלחמה, וב-3 במאי 1945 נפל בשבי הבריטי.