Brał udział w bitwach pod Nancy, Metz, Arracourt i Vosges w rejonie Alzacji-Lotaryngii.
Został pozbawiony dowództwa wraz z kilkoma innymi niemieckimi oficerami na początku grudnia 1944, ze względu na dokonane bez pozwolenia przełożonych wycofanie sił niemieckich z wyznaczonego sektora, i przeniesiony do rezerwy oficerskiej Naczelnego Dowództwa Sił III Rzeszy. Szef sztabu armii niemieckiej, generał Heinz Guderian, otrzymał pozwolenie na przywrócenie von Mellenthina do służby w grudniu 1944. Ten od 28 grudnia 1944 do lutego 1945 był przydzielony do 9 Dywizji Pancernej podczas bitwy o Ardeny, kiedy dywizja walczyła na północ od Bastogne. Od marca do maja 1945 był szefem sztabu dla 5 Armii Pancernej generała Hassona von Manteuffela, która broniła zachodnich Niemiec przed siłami amerykańsko-brytyjskimi atakującymi Zagłębie Ruhry i Kolonię.
Podczas odwrotu na wschód został schwytany przez Brytyjczyków w Höxter nad Wezerą, 3 maja 1945.