בפרוץ המלחמה פיקד פון אדלסהיים על גדוד האופניים ה-1, ולחם עמו במהלך המערכה בפולין, המערכה על צרפת ומבצע ברברוסה, כחלק מדיוויזיית הפרשים ה-1, וב-30 ביולי 1941 הוענק לו על פעולותיו עיטור צלב האבירים של צלב הברזל. ב-1 באוקטובר 1941 הוא הועלה לדרגת אוברסט, ומונה למפקד רגימנט הפרשים ה-22, אשר היה חלק מדיוויזיית הפאנצר ה-24, ואשר הפך בתחילת ינואר 1942 לרגימנט הרובאים ה-26, ובתחילת יולי 1942 הפך לרגימנט הפאנצרגרנדיר ה-26, ולחם עמו במבצע מקרה כחול ובמהלך קרב סטלינגרד. ב-7 בנובמבר 1942 מונה למפקד חטיבת הפאנצרגרנדיר פאנצר ה-20, אשר הייתה חלק מדיוויזיית הפאנצר ה-20, וב-23 בדצמבר 1942 הוענק לו תוספת עלי אלון לעיטור צלב האבירים של צלב הברזל. ב-1 במרץ 1943 הוא מונה למפקד דיוויזיית הפאנצר ה-24 שהוקמה מחדש בצרפת, וב-1 ביוני 1943 הוא הועלה לדרגת גנרל מיור. באוגוסט 1943 נשלחה הדיוויזיה לאיטליה, ובנובמבר אותה שנה נשלחה הדיוויזיה לחזית המזרחית, שם לחמה בקרב דנייפר כחלק מארמיית הפאנצר הראשונה. בינואר 1944 הועברה הדיוויזיה תחת פיקוד הארמייה השישית, ובאפריל לחמה הדיוויזיה כחלק מהארמייה השמינית במבצע יאשי-קישינב הראשון. ב-1 במרץ 1944 הוא הועלה לדרגת גנרל לוטננט, וב-20 באוגוסט 1944 הוא מונה למפקד קורפוס הפאנצר ה-24. ב-22 בספטמבר 1944 הוא מונה למפקד קורפוס הפאנצר ה-48, וב-23 באוקטובר 1944 הוענק לו תוספת חרבות לעיטור צלב האבירים של צלב הברזל. ב-1 בדצמבר 1944 הוא הועלה לדרגת גנרל חיל השריון, ובתחילת מאי 1945 הוא מונה למפקד היחידות הנכנעות של הארמייה ה-12, עמן נפל בשבי האמריקני ב-7 במאי 1945.