Peenemünde 24 lipca 1936 został szefem działu WaPrüf 11 w tymże departamencie, stając się odpowiedzialnym za eksperymenty w ośrodku badań rakietowych w Peenemünde. W maju 1937 objął dowodzenie nad ośrodkiem. Przeniósł się tam z 90 osobami personelu z Kummersdorfu. Walter Thiel, główny niemiecki konstruktor silników rakietowych, wraz z pięcioma osobami, pozostali w Kummersdorfie do 1940 roku, gdy w Peenemünde zakończono budowę stanowisk testowych.
Z Thielem chciał konkurować na polu rozwoju myśliwców z napędem rakietowym. Jednak po testach obu konstrukcji w lipcu 1938 (He-176 z silnikiem Thiela i He-122 z silnikiem zespołu Dornbergera), w których samolot z silnikiem Dornbergera uległ wypadkowi, porzucił ten „pojedynek” i jego zespół skupił się na pracach nad rakietą A4 i pociskami balistycznymi.
W momencie wybuchu II wojny światowej był podpułkownikiem i odpowiedzialnym za rozwój broni rakietowej. 11 maja 1943, pozostając szefem WaPrüf 11, został też dowódcą całego ośrodka w Peenemünde, oznaczanego wtedy jako „Heimat Artillerie Park 11”.
We wrześniu 1942 powierzono mu dwa stanowiska: koordynatora programu bomb latających V-1 i rozwoju rakiet V-2, w tym działań operacyjnych. Pierwszy udany lot V-2 odbył się 3 października 1942.