1938, als Österreich dem deutschen Reich angeschlossen wurde, floh er mit Hilfe von Meta Kraus-Fessel nach Amsterdam, wo er bis zu seinem Tod 1944 lebte. Er arbeitete weiterhin an der Katalogisierung des Archivs des IISG. Die Nazis waren sich dessen offensichtlich nicht bewusst, und Nettlau starb wahrscheinlich an Magenkrebs, ohne jemals von ihnen belästigt worden zu sein.