Весной 1943 года начальник штаба ОКХ генерал Цейтцлер разработал план операции «Цитадель», по которому предполагалось срезать большой выступ, занятый советскими частями, вклинившимися в позиции вермахта на линии разграничения зоны действий групп армий «Центр» и «Юг» на глубину до 120 километров. Части вермахта должны были окружить выступ с двух сторон и взять в клещи части РККА. Для образования огромных клещей генерал предполагал сосредоточить все имевшиеся в наличии танковые силы. 7 танковых дивизий 9-й армии Вальтера Моделя должны были ударить с севера, а 9 дивизий 4-й танковой армии Германа Гота – с юга. По данным разведки Моделя и аэрофотосъемок, Красная Армия имела на этом выступе сильные оборонительные линии. Модель, как и многие другие генералы, сомневался в целесообразности операции, которая требовала задействовать все оперативные резервы, что создало бы опасное положение на всем фронте. Но фюрер не отказался от проведения операции «Цитадель».
Битва на Курской дуге началась в три часа дня 4 июля, когда войска Моделя и Гота перешли в наступление на позиции противника. Несмотря на мощную поддержку с воздуха, танки 9-й армии смогли вклиниться в линию советской обороны только на 11 километров. Через неделю боев между войсками Моделя и Гота все еще лежали почти 100 километров неприступных оборонительных линий Центрального и Воронежского фронтов. Операция «Цитадель» провалилась. У вермахта почти не осталось оперативных резервов.
В отличие от вермахта Красная Армия располагала мощными резервами, что позволило ей сразу же перейти в контрнаступление и захватить в свои руки стратегическую инициативу. Первый удар был нанесен по Орловской дуге, где позиции немецких войск нависали над Курским выступом. В рамках операции «Кутузов» войска Центрального (Рокоссовский), Брянского (Попов) и Западного (Соколовский) фронтов должны были расчленить 9-ю полевую и 2-ю танковую армии вермахта, подчинявшиеся генерал-полковнику Вальтеру Моделю, и уничтожить их по частям. Советские войска имели преимущество в живой силе и технике более чем в два раза. Это заставило генерала Моделя на второй день наступления снять несколько танковых и моторизованных дивизий с Курского выступа, а вскоре и вообще отойти на исходные позиции.
В середине июля войска Брянского фронта вклинились в оборону 2-й немецкой танковой армии более чем на 50 километров и попытались овладеть железной дорогой, снабжавшей весь Орловский выступ. На востоке войска Брянского фронта вплотную подошли к Орлу. Благодаря массированным налетам немецкой авиации Моделю удалось остановить продвижение советских частей к железной дороге Орел – Брянск, но прорванный в двух местах фронт удержать было невозможно. И в конце июля Модель начал отводить свои войска на заранее подготовленные позиции восточнее Брянска – оборонительный рубеж «Хаген». За этот безупречно выполненный маневр Вальтер Модель получил от своих подчиненных титул «мастера отступления».
К 17 августа Красная Армия успешно завершила операцию «Кутузов», освободив Орел и Белгород.
В феврале 1944 года Модель был переведен под Ленинград и возглавил группу армий «Север», сменив на этом посту фельдмаршала фон Кюхлера. Модель получил только новую должность, но подкреплений не получил. Ему пришлось сделать то, за что был снят его предшественник. Чтобы избежать расчленения своих войск, он в начале марта отвел войска и занял рубеж от Нарвы по западному берегу Чудского озера и реки Великой до расположения 3-й танковой армии Рейнгардта. Этим он смог сохранить вверенные ему части и избежать опасности окружения и уничтожения их. 1 марта Вальтер Модель получил звание фельдмаршала.
В том же месяце он был назначен командующим группой армий «Северная Украина» вместо отстраненного Манштейна.
Модель получил приказ остановить наступление частей Красной Армии. В начале апреля ему удалось деблокировать 1-ю танковую армию, завершив операцию, начатую еще Манштейном. Затем он пытался помочь гарнизону, окруженному под Тернополем, но пробиться к городу ему не удалось, и 15 апреля город был взят советскими частями. Частичные успехи Моделя не смогли остановить общее наступление советских войск.
В конце июля Гитлер назначил Моделя командующим группой армий «Центр», сохранив за ним и командование группой «Северная Украина». Моделю были предоставлены самые широкие полномочия. Он мог перебрасывать части с одного участка фронта на другой без согласия или одобрения фюрера. Но для выполнения возложенных на него задач нужны были не только смелость и везение, но и авиация, противотанковые орудия, дополнительные пехотные и мобильные дивизии.