Im Zuge der Vorbereitungen zum Zweiten Weltkrieg wurde Mellenthin am 1. August 1939 zur Verfügung der Kriegsmarine gestellt. Anlässlich des 25. Jahrestages der Schlacht bei Tannenberg erhielt er am 27. August 1939 den Charakter als Fregattenkapitän. Nach Kriegsausbruch war er vom 14. September bis 12. Oktober 1939 kurzzeitig Kommandant des Minenschiffs "Hansestadt Danzig". Anschließend stellte man ihn erneut zur Verfügung und beurlaubte ihn. Erst nach Beendigung des Westfeldzuges und der Besetzung Frankreichs wurde Mellenthin wieder verwendet und ab 1. Juli 1940 mit der Aufstellung der Vorpostenflottille Atlantik beauftragt. Am 26. Juli 1940 wechselte er als Referent in den Stab des Seetransportchefs und erhielt am 20. August 1940 das Patent zu seinem Dienstgrad. Als solcher war Mellenthin vom 1. Januar 1941 bis zum 31. Dezember 1942 Chef des Stabes des Kriegsmarinearsenals Gotenhafen. Dann wurde seine Mobilmachungsbestimmung aufgehoben und Mellenthin in den Ruhestand versetzt.