Tot Mei 1944 was Mellenthin as hoof van die staf van die "XXXXVIII. Armeekorps" in die besette Sowjetunie, onder generaal Hermann Balck. Hy neem deel aan die Slag van Koersk, die Slag van Kiëf, en in die lente van 1944 trek die eenhede deur die Wes-Oekraïne terug. In September 1944 het Mellenthin Balck gevolg na die 4de Panzer-divisie en dan na Leër Groep G in Oos-Frankryk. Op 28 Desember het Mellenthin bevel oorgeneem van die 9de Panzer-divisie, wat toe in die Ardenne-offensief betrokke was. Van Maart tot Mei 1945 was hy hoof van die staf van die 5de Panzer-divisie.