Im Anschluss daran wurde Schlemm zum Chef des Generalstabes des XI. Fliegerkorps unter Kurt Student ernannt, das zur Führung der Fallschirmverbände der Luftwaffe aufgestellt worden war. Hier beteiligte er sich an der Planung und Durchführung des Unternehmens Merkur zur Besetzung der Insel Kreta. Im Februar 1942 wurde er Kommandeur des nach ihm benannten Luftwaffen-Gefechtsverbandes, der ab April an der Ostfront eingesetzt wurde. Am 1. Juni 1942 wurde er unter gleichzeitiger Beförderung zum Generalleutnant Kommandeur der 1. Flieger-Division, bevor er am 1. Oktober 1942 die Führung des aus der Gruppe Schlemm neuaufgestellten II. Luftwaffen-Feldkorps übernahm. Mit diesem kämpfte er bis Ende 1943 im Bereich der 9. Armee und 3. Panzerarmee in der Schlacht von Welikije Luki und im Raum Witebsk. Mit Rangdienstalter vom 1. März 1943 erfolgte seine Beförderung zum General der Flieger.