Когда 22 июня 1941 года 1-я танковая дивизия пересекла границу Советского Союза, Венк еще служил в ней в должности оперативного офицера. После броска до окрестностей Ленинграда 1-я танковая дивизия была переведена в группу армий «Центр» для участия в завершающем походе на Москву. Но, как и многие другие танковые дивизии, она завязла в грязи раскисших русских дорог и советской столицы не достигла. В декабре 1941 года, во время советского контрудара, она попала в окружение, из которого, однако, с успехом вырвалась благодаря разработанному Венком плану и вернулась к германским оборонительным рубежам. За успехи Венк был удостоен Золотого Креста и двумя месяцами позже был принят в Военную академию Генштаба. 1 июня 1942 года Вальтер Венк был произведен в полковники, а в сентябре получил назначение в штаб LVII (57-го) танкового корпуса на Восточном фронте. В это время корпус находился в районе Ростова-на-Дону и двигался на восток. Он принимал участие в походе на Кавказ. В ноябре, во время драматического сражения за Сталинград, Венк был начальником штаба 3-й румынской армии. Румыны только что были в пух и прах разбиты советскими войсками и обращены в бегство. Они до сих пор продолжали отступать, оставляя после себя только бессистемно разбросанные разрозненные германские части. Венк, проехав по дорогам, собрал беглецов и сколотил из них сборные формирования. На привалах он демонстрировал им фильмы и, когда уставшим солдатам надоедало смотреть, снова отправлял их на войну.
Влившиеся в новую армию Венка солдаты являлись выходцами из самых разнообразных армейских групп, включая XLVIII танковый корпус, аварийные части Люфтваффе, тыловые части попавшей в окружение 6-й армии, а также возвращавшиеся из отпуска в Германии солдаты 4-й танковой и 6-й армий. Командир только что созданной группы армий «Дон» фельдмаршал Эрих Манштейн, встретившись с Венком в Новочеркасске, сказал ему: «Вы ответите головой, если позволите русским прорваться к Ростову на вашем участке. Оборонительный рубеж должен выстоять. Если он не будет удержан, мы потеряем не только 6-ю армию в Сталинграде, но и группу армий „А“ на Кавказе». Венк сохранил свою голову, а Манштейн — свою армию.
Полковник отбил все попытки советских войск прорвать линию фронта на своем участке. 28 декабря 1942 года Венк был удостоен Рыцарского креста, а днем позже был назначен начальником штаба части армии Холидта.
Вальтер Венк (на первом плане) планирует немецкое наступление
1 февраля следующего года Вальтер Венк был произведен в генерал-майоры и 11 марта стал начальником штаба 1-й танковой армии. В 1943 году 1-я армия принимала участие в тяжелейших боях и в марте 1944 года попала в Каменец-Подольский «котел» на реке Днестр. И снова Вальтер Венк (прозванный в войсках «папочкой») сыграл главную роль в прорыве окружения. В результате его ждало повышение (должность начальника штаба группы армий «Южная Украина»). Именно на этом посту Венк поддержал инициативу Гудериана вывести немецкие войска из Румынии. Сам Гудериан в своих мемуарах вспоминал об этом эпизоде так: