Осенью 1941 года участвовал в наступлении на Москву, которое для немецко-фашистских войск закончилось неудачей. Здесь, под Москвой, вермахт потерпел первое крупное поражение с начала Второй мировой войны. На заснеженных полях Подмосковья Красная Армия, нанеся по немецко-фашистским войскам сокрушительный удар, развеяла миф об их непобедимости. 16 января 1942 года Модель был назначен командующим 9-й армией. Назначение его на эту высокую должность состоялось, можно сказать, вне очереди. Несмотря на возражения некоторых высших военачальников, считавших, что 51-летний генерал Модель, который всего лишь 3 месяца назад командовал только дивизией, еще молод и недостаточно опытен для того, чтобы занимать такую должность, Гитлер все же настоял на его кандидатуре. На сей раз фюрер не ошибся в своем выборе. В ходе ожесточенного сражения, развернувшегося зимой 1941—1942 годов в районе Ржева, Модель не только спас свою армию от угрозы нависшего над ней окружения и предотвратил разгром советскими войсками всего левого крыла группы армий «Центр», но и сумел сам окружить советскую 39-ю армию, разгром которой был завершен к концу февраля 1942 года. За успешные действия в районе Ржева Гитлер произвел Моделя в генерал-полковники и наградил дубовыми листьями к Рыцарскому кресту.
До октября 1942 года возглавляемая Моделем 9-я армия вела успешные оборонительные бои, отразив все попытки советских войск ликвидировать занимаемый ею ржевский выступ фронта. Этот выступ Модель оставил только после катастрофы, постигшей немецко-фашистский вермахт под Сталинградом, когда стало ясно, что наступление с ржевского плацдарма на Москву в обозримом будущем не состоится и дальше удерживать его уже не имеет смысла. В марте 1943 года Модель осуществил довольно искусный отвод своих войск (17 дивизий) с ржевского выступа на новый оборонительный рубеж, находившийся в 100—140 км к западу. Эвакуация ржевского плацдарма была проведена им мастерски, несмотря на мощный натиск перешедших в наступление советских войск, располагавших большим превосходством в силах. После этого 9-я армия была переброшена с северного фланга группы армий «Центр» на южный, где ей предстояло принять участие в наступательной операции «Цитадель». Не веривший в успех этой операции командующий войсками группы армий «Центр» генерал-фельдмаршал Г. фон Клюге хитроумным маневром уклонился от непосредственного руководства ею, переложив всю ответственность на своего подчиненного — Моделя.
Таким образом, на Моделя было возложено руководство левым (северным) крылом группировки немецко-фашистских войск, перешедших летом 1943 года в наступление на Курской дуге.
