Da andre verdenskrig brøt ut med Felttoget i Polen i 1939 og senere kampen om Frankrike i 1940 var Model generalmajor og stabsoffiser som sjef for 16. armés generalstab. Senere fikk han kommando under generaloberst Heinz Guderian i Panzerkorpset og deltok her under Operasjon Barbarossa, felttoget mot Sovjetunionen 1941–1944 til slutt med grad som general.