Falkenhorst fik ansvaret for den militære planlægning af Operation Weserübung i 1940. Denne invasion af Danmark og Norge var tophemmelig, og Falkenhorst fik end ikke adgang til militærets kortsamling, da han udformede planen. I stedet planlagde han operationen i et hotelværelse ved hjælp af en Baedeker-guidebog for "Norwegen und Schweden", han havde købt i en boghandel i Berlin. Alligevel blev operationen en succes. Det eneste større tyske tab var sænkningen af den svære krydser "Blücher" i Oslofjorden.