Al inicio de la Segunda Guerra Mundial, Lemelsen, al mando de su 29.ª División de Infantería, tomó parte en la Invasión alemana de Polonia de 1939, así como en las primeras fases de la batalla de Francia; sin embargo, el 28 de mayo de 1940, en plena batalla de Francia, se otorgó a Lemelsen el mando de la 5.ª División Panzer, con la que tomó parte en la lucha contra la Fuerza Expedicionaria Británica del Ejército británico en Dunkerque, en la denominada "Operación Dinamo".