Die 9. Armee kämpfte nach Überschreiten der Grenze zunächst in der Kesselschlacht bei Białystok und Minsk und stieß anschließend über Polozk in den Raum Welikije Luki vor. Während der Schlacht um Moskau deckte sie die nördliche Flanke der Heeresgruppe Mitte, musste sich aber nach Einsetzen der sowjetischen Gegenoffensive zurückziehen. Nachdem Strauß aus gesundheitlichen Gründen von seinem Kommando entbunden worden war, übernahm am 15. Januar 1942 General der Panzertruppe Walter Model den Oberbefehl über die 9. Armee. Die Armee stand zu diesem Zeitpunkt in schweren Abwehrkämpfen im Raum Rschew, wo sich ein großer Frontbogen gebildet hatte. Im Verlauf des Jahres 1942 musste sie hier mehrfach Einkesselungsversuche der Roten Armee abwehren (→ Schlacht von Rschew). Der letzte und umfangreichste dieser Versuche, die Operation Mars, fand im November und Dezember 1942 statt. Im März 1943 zog sie sich schließlich im „Unternehmen Büffelbewegung“ aus dem Frontbogen zurück. Anschließend wurde das Armeeoberkommando für eine neue Verwendung nach Orel verlegt. Ab 5. Juli 1943 war die Armee beim Unternehmen Zitadelle eingesetzt, der dritten und letzten Sommeroffensive der Wehrmacht in der Sowjetunion; dabei bildete sie den nördlichen Angriffskeil. Die deutschen Soldaten kamen aufgrund schwerer Kämpfe nur langsam voran. In den Tagen zwischen dem 5. und dem 13. Juli 1943 tobte im Rahmen des Unternehmens Zitadelle im Kursker Frontbogen die bis heute größte Panzerschlacht der Geschichte, in der auf deutscher Seite knapp über 1.000 Panzer und auf sowjetischer Seite mehrere tausend Panzer eingesetzt waren. Hitler ordnete am 12. Juli 1943 an, die Offensive abzubrechen. Nach dem Scheitern der Offensive zog sich die 9. Armee auf die Panther-Stellung zurück.