Mit dem neu aufgestellten Panzerregiment nahm Kleist während des Zweiten Weltkriegs sowohl am Feldzug in Polen als auch am Westfeldzug gegen Frankreich und am Krieg gegen die Sowjetunion sowohl als Kompaniechef als auch als Regimentsadjutant teil. Dabei wurde er insgesamt dreimal verwundet. 1943 wurde er nach abgeschlossener Generalstabsausbildung zum Ia einer Division bestellt. In den schweren Kämpfen an der Westfront nach der Invasion der Alliierten geriet er im November 1944 in britische Kriegsgefangenschaft, aus der 1947 entlassen wurde.