Østrem ble utnevnt til medisinaldirektør av NS-myndighetene den 1. november 1940. I denne stillingen bidro han blant annet til å utarbeide Steriliseringsloven av 23. juli 1942, der det ble gitt utvidet adgang til å sterilisere åndssvake, også ved bruk av tvang. Østrem arbeidet også for at Norge skulle få raselover etter tysk modell, og var spesielt opptatt av å hindre at den samiske minoriteten skulle blande seg med den norske majoritetsbefolkningen. Han så på «lappespørsmålet» som en parallell til «jødespørsmålet», og argumenterte for at man «måtte holde [den germanske] rasen ren og sterk og hindre innblanding» fra samene, som han anså som primitive og degenererte. Østrems syn ble støttet av andre NS-topper som Egil Rian, men NS-regimet rakk aldri å innføre slike lover innen krigens slutt.