Im Juli 1938 wurde Dörnberg als Nachfolger von Vicco von Bülow-Schwante zum Chef der Protokollabteilung des Auswärtigen Amtes ernannt. Auf diesem Posten blieb er bis zum Zusammenbruch des NS-Regimes 1945. Im Herbst 1938 empfing Dörnberg den britischen Premierminister Chamberlain anlässlich der Verhandlungen über das Münchner Abkommen. Im August 1939 begleitete er Ribbentrop nach Moskau zur Unterzeichnung des deutsch-sowjetischen Nichtangriffspaktes.