I 1942 ble han overført til Polen som ansatt i Aksjon Reinhardt, der han arbeidet under SS-general Odilo Globocnik som hadde ansvar for tilintetgjørelsesleirene Chelmno, Belzec, Treblinka og Sobibor. Stangl ble kommandant i Sobibor fra mars eller april 1942 til september 1942. Han var siden kommandant i Treblinka fra september 1942 til august 1943. I Treblinka overtok han etter Irmfried Eberl som tok mot flere jøder enn han klarte å avlive. Globocnik irettesatte Eberl for at han tok 5000 fanger daglig men bare klare å kvitte seg med 2000. Stangl skapte orden og tempo i leiren, og fikk opp drapstempoet i Treblinka. Han utvidet gasskammeret og erstattet gassforsyningen fra en gammel dieselmotor med motoren fra en sovjetisk T-34 stridsvogn. Stangl fikk satt opp en etterligning av en virkelig jernbanestasjon på ankomstrampen med falske skilt og klokke som alltid viste klokken 3. Han fikk hengt opp et forheng fra en synagoge ved inngangen til gasskammeret; forhenget hadde teksten «dette er porten de rettferdige går gjennom» på hebraisk. I januar 1944 bad Globocnik Himmler om å belønne Stangl med Jernkorset, da han hadde vært «den dyktigste leirkommandanten i Polen» og på grunn av den følelsesmessige belastningen (tysk: ) med jobben. Etter opprør i Treblinka i august 1943 ble Stangl overført til Adriaterhavskysten der han skulle bekjempe partisaner i Jugoslavia.