Under krigen besøkte Olav norske og allierte styrker i Storbritannia, Canada og USA. Den 30. juni 1944 ble han i eksil utnevnt til Forsvarssjef et embete han hadde til 15. juli 1945. I 1943 medvirket Olav i et regjeringsoppnevnt utvalg som skulle forberede frigjøringen av landet. Trygve Lie ønsket Olav som øverstkommanderende for allierte styrker som skulle frigjøre Norge; dette ble avvist av de allierte og Olav ble i stedet forsvarssjef. Wilhelm Hansteen, den foregående forsvarssjefen, ble nestkommanderende med særlig fullmakter. Utnevnelsen av Olav skulle bidra til å forene ulike fraksjoner i Hjemmefronten og gi overkommandoen i eksil mer symbolsk tyngde.