Ein halbes Jahr später, im Juli 1940, wurde Norstad Adjutant des Kommandeurs der "25th Bombardment Group", Langley Field, Virginia. Im November desselben Jahres wurde er dann als Major zum assistierenden Stabschef für den Nachrichtendienst im Hauptquartier des U.S. Army Air Corps ernannt. Nach anderthalb Jahren, im Februar 1942, wurde Norstad als Lieutenant Colonel Mitglied im Beraterstab des Kommandierenden Generals Henry H. Arnold der nun umbenannten US Army Air Forces in Washington, D.C. Im August 1942 wurde Norstad zum Colonel befördert und übernahm den Posten des assistierenden Stabschef für Operationen der 12. US-Luftflotte, wurde im Monat darauf nach England und bis zum Oktober nach Algier in Französisch-Nordafrika verlegt. Im Februar 1943 wurde er zum Brigadier General befördert und übernahm zusätzlich den Posten des assistierenden Stabschefs für Operationen der "Northwest African Air Forces". In dieser Verwendung war er an der Entwicklung der Pläne für die Luftoperationen bei den Landungen der alliierten Streitkräfte in Sizilien (Operation Husky) und Italien (Operation Avalanche) beteiligt. Ende 1943, im Dezember, wurde er Direktor für Operationen der Alliierten Luftstreitkräfte im Mittelmeer in Algier und zwei Monate später nach Caserta, Italien, verlegt.