18 ноября 1940 г. его назначают на должность командира 3-й танковой дивизии.
На Восточном фронте
«Моделя я хорошо знал с 1941 г., когда он командовал 3-й танковой дивизией, — писал в своих мемуарах Гудериан. — Описывая Русскую кампанию 1941 г., я достаточно полно охарактеризовал его как храброго, неутомимого солдата, хорошо знавшего обстановку на фронте, умевшего применять свои способности в бою, а потому пользовавшегося доверием своих солдат. Вскоре он стал нехорош для ленивых и неспособных подчиненных, потому что он решительно добивался своего».
Действительно, после завоевания Франции Модель был назначен командиром 3-й танковой дивизии 2-й танковой группы Гудериана, входившей в группу армий «Центр». В этом качестве он и встретил начало войны на Восточном фронте. Его дивизия успешно действовала в первые дни вторжения, и уже 9 июля 1941 г. Модель был награжден Рыцарским крестом за боевые заслуги.
В дневнике начальника немецкого Генерального штаба Гальдера имя Моделя впервые упоминается через две недели после начала вторжения в СССР: «5 июля 1941 г. На фронте группы армий „Центр“ правое крыло танковой группы Гудериана [Модель (3-я танковая дивизия)] удержало плацдарм в районе Рогачева».
В конце июля Модель стал командиром 41-го моторизованного корпуса в составе 3-й танковой армии.
Вспоминая август 1941 г., Гудериан повествовал о ходе военных действий с участием Моделя, так: «Генерал Модель сообщил мне, что он захватил неразрушенными все мосты через р. Остер, а также взял одну батарею противника».
В начале сентября Модель докладывал Гудериану, что, по его впечатлениям, «перед ним находится очень слабая оборона противника или даже какая-то брешь в его обороне». Гудериан приказал Моделю после перехода р. Сейм наступать в направлении на железнодорожную линию Конотоп, Белополье и перерезать ее. 2 сентября 1941 г. Модель был легко ранен.
Относительно бреши в советской обороне Модель в тот момент оказался прав, и, как свидетельствует Гудериан, «9 сентября 24-й танковый корпус переправился через р. Сейм. Вечером было получено радостное сообщение о том, что 24-й танковый корпус действительно обнаружил на участке Батурин — Конотоп слабое место в обороне противника и что передовой отряд 3-й танковой дивизии двигается на город Ромны, являвшийся целью нашего наступления… Около города Ромны я встретил генерала Моделя, доложившего мне отдельные подробности обстановки. Город находился в его руках, однако отдельные группы противника еще блуждали в городских садах и проезд был возможен только в бронированной машине».
Корпус под командованием Моделя весьма близко подошел к Москве зимой 1941 г. в ходе общего наступления, но после декабрьского контрудара и последующего наступления Красной армии продвижение сил вермахта было остановлено. Гальдер сделал в своем дневнике такую запись:
Относительно спокойный день без новых тревожных сообщений. Противник, по всей вероятности, испытывает затруднения в подтягивании новых соединений к местам прорывов (снабжение, железные дороги). Наша железная дорога в катастрофическом состоянии, что затрудняет подготовку наступления под Ржевом.
…Нанес визит Модель. Он назначен командующим 9-й армией.
Ржев: долгое противостояние
В январе 1942 г. Вальтер Модель был назначен командующим 9-й армии, которая находилась в весьма напряженной ситуации. Советские части теснили ее с нескольких сторон. 39-я армия Калининского фронта прорвала фронт 9-й армии северо-западнее Ржева и двинулась на Вязьму и Оленин. На западе 22-я армия наступала с целью соединиться с 39-й армией, окружив при этом не только 9-ю армию вермахта, но и 4-ю полевую, а также 3-ю и 4-ю танковые армии. В то же самое время 4-я ударная армия Северо-Западного фронта, также окружая по широкой дуге 9-ю армию, пыталась продвинуться к Смоленску.
Генерал Мантойфель говорил: «Модель был очень хорошим тактиком, причем лучше проявлял себя в обороне, чем в нападении. Он всегда точно знал, что войскам по силам, а что нет.
Его манеры были грубыми, а используемые методы далеко не всегда приветствовались армейским генералитетом, зато неизменно одобрялись Гитлером. Модель относился к Гитлеру так, как никто больше не осмеливался, и даже иногда позволял себе отказаться выполнять приказы, с которыми не был согласен».