С началом войны 5-я армия в составе Юго-Западного фронта участвовала в приграничном сражении с превосходящими силами противника на госгранице южнее города Брест, на реках Стырь и Случь, затем на оборонительных позициях Коростеньского УРа. В ходе Киевской оборонительной операции её войска участвовали в контрударе по прорвавшейся группировке противника (август 1941 г.). Затем вместе с армией отходил в направлении Владимир-Волынский — Луцк — Сарны — Олевск — Овруч — Чернобыль — Чернигов — Прилуки — Пирятин — Городище — Дрюковщина. С 21 по 29 сентября Владимирский находился в окружении, после выхода из которого состоял в резерве отдела кадров Брянского фронта. Участвовал в Орловско-Брянской оборонительной операции.