Jakość tych raportów przyczyniła się do tego, że porucznik Mellenthin został przydzielony do Kriegsschule w 1935, gdzie po dwóch latach ukończył szkolenie dla oficerów sztabowych.

Początek wojny w Europie Od 1937 do grudnia 1939 służył jako trzeci oficer sztabowy w III Korpusie Armijnym Wehrmachtu. Uczestniczył w inwazji na Polskę, podczas której III Korpus Armijny zaatakował Polaków ze strony Pomorza i posuwał się wzdłuż Wisły w kierunku Warszawy, przecinając drogę ucieczki polskich sił z korytarza.

Od czerwca do sierpnia 1940 był pierwszym oficerem sztabowym 197 Dywizji Piechoty podczas kampanii francuskiej oraz przygotowań do Operacji Lew Morski. Od września 1940 do lutego 1941 był trzecim oficerem sztabowym 1 Armii, potem został skierowany do administracji w okupowanej północnej Francji. Po tej krótkiej przerwie, od marca do maja 1941 był trzecim oficerem sztabowym w 2 Armii podczas niemieckiej inwazji na Bałkany.