На должности начальника штаба 4-го армейского корпуса вступил в Вторую мировую войну и участвовал в вторжении в Польшу. В октябре 1939 года назначен начальником штаба 16-й армии и на этой должности участвовал в Французской кампании. С ноября 1940 года — командир 3-й танковой дивизии. Эта дивизия была переброшена в Польшу и включена в состав 2-й танковой группы генерала Гейнца Гудериана.
В сражениях на Восточном фронте (1941—1944)
22 июня 1941 года вступил в войну на Восточном фронте, перейдя государственную границу СССР. В составе группы армий «Центр» участвовал в Пограничном сражении в Белоруссии, в Витебском сражении, в Смоленском сражении. Один из исполнителей грандиозного окружения советских войск в Киевской операции. В маневренных сражениях лета 1941 года добился выдающихся успехов против Красной армии, выдвинулся в число наиболее известных генералов вермахта. С октября 1941 года командовал 41-м танковым корпусом 3-й танковой группы, участвовал в битве под Москвой. Когда Гитлер после поражения под Москвой снял с постов несколько десятков своих генералов, Модель в январе 1942 года назначен на освободившийся пост командующего 9-й армией.
На этом посту свыше года руководил действиями германских войск в Ржевской битве, где вновь сумел нанести советским войскам значительные потери (по различным оценкам от 1 до 2 миллионов человек) и отразить несколько крупных наступлений РККА: Ржевско-Вяземская операция в январе — апреле 1942 года, Первая Ржевско-Сычёвская операция, операция «Марс». Свыше года армия Моделя удерживала плацдарм под Ржевом и во многочисленных сражениях отражала попытки Красной Армии овладеть городом. Но весной 1943 года в связи с общим ухудшением обстановки на советско-германском фронте Модель вывел свои войска из Ржевского выступа, отразив попытки советского командования разгромить отходившую 9-ю армию. Генерал-полковник (1.02.1942).
Выведенная из-под Ржева 9-я армия Моделя в летней кампании 1943 года наносила главный удар по северному фасу Курской дуги. Однако в начавшейся 5 июля Курской битве её войска смогли лишь незначительно продвинуться вперёд с большими потерями, а затем были отброшены на исходный рубеж советским Центральным фронтом под командованием К. К. Рокоссовским. Это сражение стало первым поражением Моделя. Затем во главе армии он действовал в Орловской операции и в битве за Днепр. Вторично потерпел серьёзное поражение в Брянской операции.
31 января 1944 года Модель был назначен командующим группы армий «Север», которая в это время терпела жестокое поражение в Ленинградско-Новгородской операции. В течение февраля Модель сумел превратить беспорядочное отступление в планомерный отход и к началу марта окончательно остановить советское наступление под Нарвой и Псковом, сорвав планы советского командования по глубокому прорыву в Прибалтику. За этот успех 1 марта 1944 года Моделю присвоено звание генерал-фельдмаршала. В этот же день он был переброшен на юг и назначен командующим группы армий «Юг», в апреле переименованной в группу армий «Северная Украина». Моделю часто приписывают успех в приостановке советского наступления под Тарнополем в апреле 1944 года, но необходимо учитывать, что к тому времени советские войска непрерывно наступали свыше трёх месяцев в ходе Днепровско-Карпатской операции, прошли с боями почти тысячу километров и уже не имели возможностей для дальнейшего непрерывного наступления.
В начале июля 1944 года Модель вновь был брошен на спасение разваливающегося фронта, будучи назначенным командующим войсками группы армий «Центр». Она была практически полностью разгромлена в ходе Белорусской операции. Ему удалось остановить советское наступление только на рубеже Вислы, потеряв перед этим всю Белоруссию и восточную половину Польши.
На Западном фронте
С 18 августа 1944 года командовал группой армий «B» и был главнокомандующим войсками на Западе (сменив заподозренного в заговоре и покончившего с собой Гюнтера фон Клюге). Ему подчинялись войска группы армий «D» и группы армий «G». Сумел прорвать кольцо окружения своих войск в Фалезской операции. В сентябре 1944 года сумел разгромить воздушный десант союзников в ходе Арнемской операции. Сначала добился крупных успехов, но затем потерпел жестокое поражение в Арденнской операции. В феврале — марте 1945 года вновь был разбит в ходе Маас-Рейнской операции, а в апреле 1945 года союзные войска окружили и полностью разгромили подчинённые Моделю войска в Рурской операции. Три недели Модель вел боевые действия в окружении, но, убедившись в окончательном развале войск, застрелился в лесу под Дуйсбургом (ныне место самоубийства Моделя находитс
