Jako szef sztabu dla XXXXVIII Korpusu Pancernego utrzymywał częsty kontakt z generałem Paulusem, dowiadując się o zgodności planów tegoż z rozkazem Hitlera aby utrzymać okrążone miasto wbrew atakującej Armii Czerwonej.
W lipcu 1944 jako szef sztabu XXXXVIII Korpusu Pancernego bezskutecznie próbował zapobiec okrążeniu Brodów na początku operacji lwowsko-sandomierskiej. Kiedy wybrani dowódcy zostali przeniesieni, generał von Mellenthin zastąpił generała Hermanna Balcka, który został mianowany dowódcą 4 Armii Pancernej w sierpniu 1944, w trakcie dalszych etapów walk w zachodniej Ukrainie i południowo-wschodniej Polsce. W tym czasie siły marszałka sowieckiego zmusiły do wycofania siły niemieckie za rzeką San, tworząc przyczółek, który odegrał pewną rolę w przygotowaniu do operacji wiślańsko-odrzańskiej stycznia 1945.
Front zachodni We wrześniu 1944 generał von Mellenthin został przeniesiony do wschodniej Francji wraz ze swym dowódcą, generałem armii Hermannem Balckiem, po tym jak ten ponownie dostał awans. Do listopada 1944 służył jako szef sztabu generalnego pod zwierzchnictwem Balcka, który dowodził wówczas Grupą Armii G. Uczestniczył w kampanii na froncie zachodnim, na odcinku między Luksemburgiem a Szwajcarią.