Во время блицкрига, проведенного немцами в Нидерландах, Бельгии, Люксембурге и Франции, Венк был ранен в ногу, но своего поста не покинул. 17 июня, когда 1-я танковая дивизия достигла цели своего дневного перехода — Монбельяра, а в баках ее танков осталось много горючего, Венк принял самостоятельное решение. Будучи не в состоянии связаться с командиром дивизии (генерал-лейтенантом Фридрихом Кирхнером), он сообщил генералу Хайнцу Гудериану (командиру XIX танкового корпуса), что по собственной инициативе приказал атаковать Бельфор. Этот смелый шаг был одобрен Гудерианом, а французы были застигнуты врасплох. Это решение и его квалифицированное исполнение не остались незамеченными. 1 декабря 1940 года Венк получил звание оберстлейтенанта (подполковника).

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.