Ved USAs inntreden i den andre verdenskrig, var Norstad stedfortredende stabssjef i USAs luftvåpen. Han hadde flere stillinger inntil han i 1942 gikk til overkommandoen for hærens luftstridskrefter i Washington. Han fremla i 1943 planene for luftoperasjonene ved de alliertes landgang på Sicilia og i Italia. Han ble i 1943 utnevnt til brigadegeneral og ledet deretter luftoperasjonene i middelhavsområdet.