עם פרוץ המלחמה היה שלם ראש מטה של אזור ההגנה האווירית המערבית, ובאוקטובר 1939 מונה לראש מטה האזור האווירי ה-11. ב-1 ביולי 1940 הועלה שלם לדרגת גנרל מיור, וב-19 בדצמבר 1940 מונה לראש מטה הקורפוס האווירי ה-11, והשתתף עמו במהלך הקרב על כרתים. באמצע פברואר 1942 מונה שלם למפקד קבוצת הקרב שלם, שפעלה כחלק מהקורפוס הממונע ה-40, ולאחר מכן כחלק מהקורפוס הממונע ה-56. ב-1 ביוני 1942 הועלה שלם לדרגת גנרל לוטננט, ומונה למפקד הדיוויזיה האווירית ה-1, וב-25 ביוני 1942 קיבל את עיטור הצלב הגרמני בזהב. ב-1 באוקטובר 1942 מונה שלם למפקד קורפוס השדה של הלופטוואפה ה-2, שפעל כחלק מקבוצת ארמיות מרכז, וב-1 בינואר 1943 הועלה לדרגת גנרל חיל האוויר. בסתיו 1943 הועבר הקורפוס לאיטליה, ובדצמבר 1943 אושפז שלם בבית חולים עקב מחלה. בינואר 1944 הפך הקורפוס שבפיקודו לקורפוס הצנחנים ה-1, שפעל כחלק מהארמייה ה-14. ב-11 ביוני 1944 קיבל שלם על פעולותיו בקרב אנציו את עיטור צלב האבירים של צלב הברזל. ב-1 בנובמבר 1944 מונה שלם למפקד קורפוס הצנחנים ה-3, אך המינוי לא יצא לבסוף אל הפועל, עקב אי הקמת הקורפוס. ב-4 בנובמבר 1944 מונה שלם למפקד ארמיית הצנחנים הראשונה, שפעלה כחלק מקבוצת ארמיות H בקרבות נגד הקנדים בהולנד, וקיבל את דרגת גנרל חיל הצנחנים. ב-21 במרץ 1945 נפצע שלם בהתקפה אווירית על מטה הארמייה ופרש מתפקידו, ובסוף המלחמה נפל בשבי בעלות הברית.