Потеря Мёльдерса подействовала на пилотов JG53 подобно удару тока, тем более что ничего не было известно о его дальнейшей судьбе. Эта неопределенность была отражена в донесении о потерях личного состава JG53 за 5 июня 1940 г.:
11 июня на краю леса восточнее Компьеня, уже занятого немцами, были найдены обломки его Bf-109E-4. Однако о судьбе самого Мёльдерса по-прежнему ничего не было известно. 18 июня его объявили пропавшим без вести, а исполняющим обязанности командира группы был назначен командир 2./JG53 гауптман Рольф Пингель.
В действительности же Мёльдерс был атакован и сбит истребителем D.520, который пилотировал су-лейтенант Рене Помье Лерарг (Rene Pomier Leyrargues). Немцы не подозревали, что у атакуемых ими MS.406 из GC I/3 было прикрытие – на высоте 8200 метров летела «восьмерка» D.520 из GC II/7 во главе с капитаном Анри Гюго (Henri Hugo). И когда Мёльдерс заходил для очередной атаки, его самого в этот момент неожиданно сверху атаковало звено «Девуатинов» во главе с Помье Лераргом. Для последнего это была пятая, и, как оказалось, последняя победа. Через несколько минут он сам был сбит в районе г. Бове и погиб. Останки французского летчика были обнаружены и захоронены только в 1942 г.
Мёльдерс опустился на землю рядом с местечком Виллерсуа, в 12 км юго-западнее г. Компьень. Вскоре он был захвачен солдатами из 195-го полка легкой полевой артиллерии, заметившими опускавшийся парашют. Они сильно избили его ногами и прикладами, а затем отобрали все награды и ценные вещи. После этого они доставили Мёльдерса в замок Блинкур, расположенный в 3 км к западу, где тот уже был допрошен офицерами.
Надо сказать, что Мёльдерсу еще повезло, так как несколько немецких пилотов, выпрыгнувших на парашютах и попавших в плен к французам, были просто убиты на месте. Французские офицеры отнеслись к нему лучше и даже по его просьбе вернули награды, отобранные солдатами. Через десять дней Мёльдерса привезли в лагерь для пленных офицеров, располагавшийся в городке Монферран, в 33 км западнее Тулузы.
Его пребывание в плену продолжалось недолго, уже через пару недель Франция капитулировала, и 30 июня 1940 г. Мёльдерс возвратился в Германию. Сразу же после освобождения из плена он получил трехнедельный отпуск. Здесь надо отметить один интересный факт, который характеризует личные качества Мёльдерса. После капитуляции одного из французских военнослужащих, который особенно жестоко обращался с пленными летчиками, и в частности с Мёльдерсом, немецкий военный трибунал приговорил к смерти. После неоднократных ходатайств Мёльдерса тот был помилован Герингом, сказавшим при этом:
В это время он написал друзьям из III./JG53 длинное письмо, в котором описывал пребывание во французском плену. В нем же Мёльдерс также делился впечатлениями от встречи с Эрнстом Удетом, предложившим ему заняться перегоном трофейных «Харрикейнов» и «Спитфайров» в испытательный центр Люфтваффе в Рехлине, находившийся на берегу озера Моритц, в 44 км юго-западнее Нойбранденбурга.
Вот как Мёльдерс отзывался о трофейных самолетах:
«Харрикейн» – это «летающая баржа» с убирающимися шасси. Хоть он и легок в управлении, устойчив на виражах, но по своим характеристикам безнадежно уступает нашим Bf109, руль направления ходит тяжело, самолет вяло слушается элеронов, хотя взлет и посадка на нем просто детская забава.
«Спитфайр» – истребитель более высокого класса. Он хорошо слушается руля, легок, имеет хорошую маневренность и практически не уступает в летных характеристиках нашим Bf109. Однако вести воздушный бой на «Спитфайре» сущее мучение, при резком переходе в пикирование двигатель на несколько секунд остается без топлива. Винт самолета имеет два фиксированных положения (взлет и рабочий), поэтому в бою на вертикали двигатель «Спитфайра» не может развить полную мощность».
19 июля Мёльдерсу присвоили звание майора, и на следующий день назначили командиром JG51 вместо генерал-майора Остеркампа, возглавившего Jaf 1. Эскадра базировалась в Северной Франции и действовала над Ла-Маншем и Южной Англией.