Брэдли служил в пехотном полку на Гавайских островах, год учился в военном училище Генерального штаба, затем был инструктором пехотной школы в Форт-Бенниге (штат Джорджия). Офицер зарекомендовал себя как старательный пехотный командир с хорошими организаторскими способностями.
В феврале 1941 года Омар Нельсон Брэдли был назначен начальником пехотной школы и получил звание бригадного генерала. В американской армии пехотная школа являлась базовым военно-учебным заведением и всегда привлекала к себе внимание высшего командования. Это было серьёзным повышением по службе, да ещё в преддверии участия вооружённых сил Соединённых Штатов во Второй мировой войне, во время которой и взошла полководческая звезда пятизвездочного американского генерала Брэдли.
В начале войны бригадный генерал Омар Нельсон Брэдли получил под своё командование 82-ю и 28-ю пехотные дивизии, которые усиленно готовились к участию в боевых действиях.
Первый боевой опыт генерал Брэдли получил в Северной Африке, где он начал службу помощником Джорджа Паттона, командира 2-го корпуса. Когда Паттон принял под своё командование 7-ю американскую армию, его помощник получил должность командира 2-го корпуса и вместе с ним звание генерал-лейтенанта.
В этой должности американский военачальник Омар Нельсон Брэдли праздновал свою первую большую победу на войне. Его войска продвигались по самым труднопроходимым участкам фронта быстрее соседей-англичан, выбив немцев из Джефны и захватив северо-западнее города Туниса Матир. При этом корпусной командир показал себя мастером тактических решений в условиях пустынной местности.
7 января 1943 года 2-й американский корпус с тяжёлыми боями занял тунисский портовый город Бизерту и взял в плен около 40 тысяч немцев и их союзников — итальянцев. В качестве трофея американцы получили много боевой техники, которую немцы и итальянцы так и не сумели в достатке обеспечить горючим.
Из-за полного превосходства их противника на суше и на море фашистским войскам не удалось эвакуироваться из Бизерты на Сицилию и в Южную Италию и пришлось сдаться.
Из Северной Африки 2-й американский корпус был переброшен на итальянскую территорию для участия в Сицилийской операции. Он наступал в первом эшелоне англо-американских сил и занял город Мессину через пять недель после высадки на острове. Остатки верных Муссолини войск эвакуировались на юг Италии.
Вскоре Брэдли получил повышение по службе. Дуайт Эйзенхауэр назначил его командующим 1-й американской армией, дислоцировавшейся на Британских островах. Среди подчинённых Брэдли армейских генералов оказался его бывший начальник в Северной Африке Паттон, карьера которого не задалась: его понизили в звании за нанесение побоев солдатам.
В 1944 году Нормандская десантная операция (кодовое название «Оверлорд») ознаменовала собой открытие второго фронта во Второй мировой войне. Англо-американские экспедиционные силы, переправившись с Британских островов через Ла-Манш, 6 июня высадились в Нормандии и захватили стратегический плацдарм, с которого вскоре началось наступление в Северо-Западной Франции. Одна из главных ролей в операции «Оверлорд» отводилась 1-й армии генерал-лейтенанта Брэдли.
Ей предстояло прорвать немецкую оборону на участке западнее Сен-Ло. Авиация ВВС США провела массированную бомбардировку неприятельской позиции, сбросив 4200 тонн бомб, и проделала в ней брешь. Но при этом из-за ошибок в расчётах бомбометания были убиты и ранены более 500 американцев. В числе погибших оказался и присутствовавший на переднем крае в качестве наблюдателя генерал Лесли Дж. Макнейр, командующий американскими сухопутными силами.
Преодолевая ожесточённое сопротивление немецких войск, американская армия достигла западной оконечности полуострова Котантен. Её танки дошли до Авранша на берегу бухты Сен-Мишель. Совместными усилиями союзники — англичане, американцы и канадцы — захватили приморскую часть Нормандии. 24 июля план «Оверлорд» был завершён.
Когда союзники стали продвигаться в глубь Франции, генерал-лейтенанта Брэдли назначили командующим 12-й группой американских армий. Это была самая мощная группировка американских сухопутных войск на Европейском театре военных действий, она насчитывала 1 миллион 300 тысяч человек и огромное количество боевой техники. Теперь полководец Омар Нельсон Брэдли командовал, по сути дела, целым фронтом.
12-я группа армий начала наступление на немецкую армию, которой командовал генерал-фельдмаршал Гюнтер фон Клюге. Вскоре он был смещён, и во главе немецких войск во Франции встал генерал-фельдмаршал Вальтер Модель. Однако такая перемена не изменила ситуации. Немцы не успели подготовиться к обороне на новых рубежах и вновь отступили.
Войска Брэдли с помощью восставших парижан освободили Париж и вместе с другими союзными армиями стали продвигаться к границам гитлеровской Германии. Французские партизаны и местное население оказывали всяческую поддержку американским и британским войскам и движению «Сражающаяся Франция», которое возглавлял генерал Шарль де Голль.