Kiedy Stany Zjednoczone przystąpiły do wojny w grudniu 1941 roku wstąpił do United States Army Air Forces, gdzie awansował do stopnia pułkownika. Został mianowany dowódcą ósmej grupy zadaniowej, a jego zadaniem było zbudowanie najbardziej wysuniętej na północ bazy lotniczej na świecie – na zachodnim wybrzeżu Grenlandii na północ od koła podbiegunowego. Na lotnisku tym miały lądować samoloty w drodze z Ameryki do Europy, m.in. by przyspieszyć pomoc dla oblężonej Wielkiej Brytanii. Baza „Blue West-8” w Søndre Strømfjord została ukończona w 1943 roku. Balchen przeprowadził wówczas również wiele akcji ratunkowych, ratując pilotów jednostek zestrzelonych nad Grenlandią. W uznaniu zasług otrzymał Zaszczytny Krzyż Lotniczy i Medal Żołnierza.
W 1944 roku objął dowodzenie „Operacją Balder” – lotami transportowymi i kurierskimi między Wielką Brytanią a neutralną Szwecją. Założył bazę w Sztokholmie i rozbudował flotę operacji z 5 do 22 samolotów, które przetransportowały ponad 2000 Norwegów do Wielkiej Brytanii i repatriowały ponad 1200 internowanych lotników amerykańskich. Dzięki operacji przerzucono ponad 200 ton sprzętu dla sił oporu w Norwegii i Danii.