Under Anden Verdenskrig stod Olav ved sin fars side i modstanden mod Tysklands angreb på Norge. Under angrebet var han rådgiver for både civile og militære ledere. Da den norske regering bestemte sig for at gå i eksil, tilbød Olav at blive i Norge, men endte dog med at følge sin far til Storbritannien, hvor han fortsatte som rådgiver for eksilregeringen og sin far. Under krigen besøgte Olav norske og allierede styrker i Storbritannien, Canada og USA. Den 30. juni 1944 blev han udnævnt til forsvarschef. Da krigen var ovre, var Olav det første medlem af kongehuset som vendte tilbage til Norge. Han ankom til Oslo sammen med fem ministre den 13. maj 1945. Han fungerede som kronprinsregent frem til kong Haakons hjemkomst til Norge den 7. juni.