Lemelsens Verbände bildeten einen Teil des inneren Ringes während der Kesselschlacht bei Białystok und Minsk (22. Juni – 2. Juli 1941), schlossen dann an den Dnepr auf und durchbrachen die Stalin-Linie bei Kopys am 11. Juli. Während der anschließenden Kesselschlacht bei Smolensk (10. Juli – 6. August 1941) waren es wiederum Lemelsens Divisionen, die den südlichen Teil des inneren Ringes bildeten und am 16. Juli Smolensk selbst einnahmen. Ende August/Anfang September 1941 gehörte das XXXXVII. Armeekorps (mot.) ebenfalls zur Kräftegruppierung der Panzergruppe 2, die im Zusammenwirken mit der Panzergruppe 1 die sowjetische »Südwestfront« in der Kesselschlacht bei Kiew aufrieb. Anschließend war das Korps am weiteren Vorstoß nach Osten (→ "Doppelschlacht bei Wjasma und Brjansk") beteiligt und erlitt in der Schlacht um Moskau erhebliche Verluste. Für die Erfolge seiner Truppen und deren Führung wurde Lemelsen am 27. Juli 1941 mit dem Ritterkreuz des Eisernen Kreuzes ausgezeichnet.