Podczas II wojny światowej został internowany w obrębie Ostrowa Tumskiego, a w styczniu 1943 przeniesiono go do plebanii Kościoła Matki Boskiej Bolesnej na Łazarzu. Zastępując nieobecnego w kraju prymasa Augusta Hlonda, wysyłał do Watykanu raporty dotyczące prześladowań Kościoła i Polaków. Potwierdzeniem jego statusu zastępcy prymasa było mianowanie go w 1942 administratorem apostolskim dla polskich katolików w Reichsgau Wartheland, jednak tytułu tego nigdy nie używał ze względu na niewydanie przez władze niemieckie statutu dla Kościoła polskiego. Współpracował również z Delegaturą Rządu na Kraj. W okresie wojennym był inwigilowany przez gestapo – na terenie plebanii Parafii Matki Boskiej Bolesnej odkryto po wojnie niemieckie podsłuchy.

W 1945 został arcybiskupem tytularnym, a 4 marca 1946 – na prośbę prymasa Augusta Hlonda – papież Pius XII wyniósł biskupa Dymka do godności arcybiskupiej, doceniając jego niezłomność w czasie okupacji. Po rozwiązaniu istniejącej od 1821 unii personalnej pomiędzy metropoliami poznańską i gnieźnieńską został arcybiskupem metropolitą poznańskim. Od maja 1946 do września 1946 był pełniącym obowiązki sekretarza generalnego Episkopatu Polski.