22 июня 1941 года вступил в войну на Восточном фронте. В составе группы армий «Центр» участвовал в Пограничном сражении в Белоруссии, в Витебском сражении, в Смоленском сражении. Один из исполнителей грандиозного окружения советских войск в Киевской операции. В манёвренных сражениях лета 1941 года добился выдающихся успехов против Красной армии, выдвинулся в число наиболее известных генералов вермахта. 1 октября 1941 года получил звание генерала танковых войск, и возглавил 41-й танковый корпус 3-й танковой группы, участвовал в битве под Москвой. Когда Гитлер после поражения под Москвой снял с постов несколько десятков своих генералов, Модель в январе 1942 года назначен на освободившийся пост командующего 9-й армией.