Da vinterkrigen brøt ut fikk Wallenius kommando over de finske troppene i finsk Lappland og klarte å holde de tallmessig overlegne sovjetiske angriperne og stabilisere frontene ved Salla og Petsamo. Han hadde ikke noe godt forhold til Gustaf Mannerheim, som var øverstkommanderende. Wallenius ble forflyttet og fordi han mislykkes med sitt nye oppdrag, ble han overført til reserven i mars 1940.