F. von Mellenthinas asmeniškai dalyvavo visose kampanijose, kurias vykdė tankų daliniai. 1939 m., tarnaudamas 3-iajame korpuse, jis aktyviai veikė Lenkijos kampanijoje, po jos vyko Prancūzijos užkariavimas, Balkanų kampanija, kovos Vakarų dykumoje ir Rusijos kampanija, apėmusi Stalingrado bei Kursko mūšius. Sąjungininkams įsiveržus į Prancūziją 1944 m., jį paskyrė į Vakarų frontą. Būtent šiame fronte 1945 m. F. von Mellenthiną į nelaisvę paėmė amerikiečių kariai.
