Stülpnagel osallistui operaatio Barbarossaan Saksan 17. armeijan komentajana. Hänen johdollaan armeija oli mukana piirittämässä puna-armeijaa Umanilla ja voittamassa Kiovan taistelua. Venäjällä Stülpnagel oli vastuussa myös sotarikoksista, sillä hän allekirjoitti summittaisia siviilien teloitusmääräyksiä kostona partisaanien toimista sekä teki yhteistyötä juutalaisia metsästävien Einsatzgruppen-osastojen kanssa.