Im Zuge des beginnenden Ostfeldzuges ab Juni 1941 war sein Korps Bestandteil der Heeresgruppe Mitte und wurde im Rahmen der 2. Panzerarmee eingesetzt. Es folgten Einsätze bei der Kesselschlacht bei Białystok und Minsk, der Kesselschlacht bei Smolensk, der Schlacht um Kiew, sowie der Doppelschlacht bei Wjasma und Brjansk und letztendlich bei der Schlacht um Moskau. Letztere führte Axthelm ab dem 25. November 1941 als Kommandierender General des I. Flak-Korps. Zuvor hatte er bereits für seine taktische Führung am 4. September 1941 das Ritterkreuz des Eisernen Kreuzes verliehen bekommen. Am 20. Dezember 1941 gab Axthelm das Kommando des Korps an Generalmajor Richard Reimann ab, der mit der Führung beauftragt wurde. Axthelm selbst kehrte nach Berlin in das Reichsluftfahrtministerium zurück, wo er vom 12. Januar 1942 bis Ende März 1945 die Funktion des Generals der Flakwaffe (Inspekteur der Flakartillerie) wahrnahm. Gleichzeitig fungierte er während dieser Zeit vom 1. April 1943 bis Ende März 1945 als Inspekteur der V 1, die anfangs noch die Tarnbezeichnung Flakzielgerät 76 trug.