Para la invasión de Rusia, su división es asignada al XXIV Cuerpo Panzer, cuyo jefe era Guderian, el cual mandaba a sus divisiones a una velocidad que era del agrado de Model; estando su división en la punta de lanza hacia el Dniéper, organizó el ataque de tal manera que fue un éxito, ganándose la Cruz de Caballero. Poco después, es ascendido a general y se le coloca al mando del XLI Cuerpo Panzer, iniciando el asalto de Moscú. Model era un torbellino, recorriendo el frente y exhortando a sus tropas al asalto final, llegando a 35 kilómetros de la capital; sin embargo, la presencia del invierno, que congelaba los vehículos y las armas, le obligó a frenar el avance.