Under andre verdenskrig arbeidet Vetlesen for å gjenoppbygge det norske Luftforsvaret. I 1943 sluttet han seg til den amerikanske marinen som kommandør i spesialstyrkens hovedkvarter i London, for å samarbeide med den norske motstandsbevegelsen. Etter krigen ledet Vetlesen det amerikanske selskapet som representerte Den Norske Amerikalinje, og han var en av grunnleggerne og styreleder i Scandinavian Airlines System.