Zu Beginn des Zweiten Weltkriegs war er als Oberstleutnant Kommandeur des Infanterie-Regiments 151 bei der 61. Infanterie-Division und nahm am Überfall auf Polen teil. Es folgten weitere Kommandierungen, aber auch Versetzungen in die Führerreserve. Im Dezember 1942 war er kurzzeitig Kommandeur der 332. Infanterie-Division. Oberst Melzer, ab Februar 1943 Generalmajor und ab Ende 1943 Generalleutnant, befehligte von Januar 1943 bis 9. Oktober 1944 die 252. Infanterie-Division am mittleren Abschnitt der Ostfront. Mit der Division war er in der Operation Bagration eingebunden. Am 12. Oktober 1944 übernahm er die Führung des XXIII. Armeekorps, das im Rahmen der 2. Armee zum Jahresende im Raum Pultusk verteidigte und durch Westpreußen an die Ostsee zurückgehend, bis April 1945 im Raum Danzig zerschlagen wurde. Das Korps hatte vorher unter Melzers Führung an der Ostpreußischen Operation teilgenommen. Anfang 1945 wurde Melzer zum General der Infanterie befördert.