Våren 1944 meldte Munthe-Kaas seg til tjeneste i det norske Sjøforsvaret i Storbritannia, der han ble stasjonert om bord på MTB 627, som gjorde tjeneste i Den engelske kanal. Under landgangen i Normandie i juli 1944 utgjorde Munthe-Kaas' MTB en del av sjøforsvarsstyrken som beskyttet landgangsflåten mot tyske angrep. Han fortsatte MTB-tjenesten til høsten 1944, da han i september fikk på nytt fikk oppdrag i Norge. Oppdraget var under ledelse av major Paul M. Strande og hadde kodenavn Operasjon Elg. Det gjaldt etableringen av en militær base i Vassfaret-traktene. Basen skulle stå kampklar ved en eventuell alliert invasjon i Norge eller i tilfelle de tyske styrkene i Norge skulle bestemme seg for kamp heller enn kapitulasjon. Sammen med andre norske soldater ble Munthe-Kaas sluppet i fly over Østlandet 26. november 1944. Munthe-Kaas ble sjef for område BA I og var ved Elg inntil Tysklands kapitulasjon. Ved krigens slutt var Munthe-Kaas steget i gradene til fenrik.