20 апреля 1937 г. Вюнненберг был произведен в подполковники шуц-полиции. Постепенно города, в которые он назначался, становились все важнее и крупнее, а подчиненная ему полиция – все многочисленней. 1 октября 1937 г. он возглавил шуц-полицию в вольном городе Бремене, 12 октября 1937 г. – в Маннгейме (Баден). За несколько предвоенных лет при нацистах Вюнненберг получил довольно приличное количество наград: Почетный крест фронтовика (5 октября 1934 г.), Знак за службу в полиции 1-й степени (26 сентября 1938 г.), Германский знак наездника в бронзе (31 марта 1937 г.), Почетный знак ПВО 2-й степени (30 марта 1938 г.).
В декабре 1938 г. Вюнненберг был переведен на штабную работу и назначен 1-м офицером Генштаба, т. е. начальником Оперативного отдела, штаба инспектора ORPO Штуттгарта. На этом посту он встретил начало Второй мировой войны. В Польской кампании он участие принять не успел, но уже 2 октября 1939 г. получил должность командира 3-го полицейского стрелкового полка, входившего в состав только что сформированной Полицейской дивизии СС. 1 января 1940 г. Вюнненберг вступил в СС (билет № 405 898) и сразу получил звание штандартенфюрера СС, в тот же день он был произведен и в полковники шуц-полиции. Теперь по линии СС он числился состоящим при штабе Управления личного состава СС, а с 9 ноября 1941 г. – при Личном штабе рейсфюрера СС.
Боевое крещение его полк получил во Французской кампании, за которую Вюнненберг был награжден пристежками (шпангами) к Железному кресту 1-го (21 августа 1940 г.) и 2-го (18 июня 1940 г.) классов. А в конце года – 9 ноября 1940 г. – произведен в оберфюреры СС. С началом кампании против Советского Союза его полк, вместе с дивизией, был передан в резерв группы армий «Север», и в августе был брошен в бой в районе Луги. В первых боях полк себя не слишком хорошо зарекомендовал, но затем «развоевался» и стал вполне приличным воинским соединением. С сентябре 1941 г. Полицейская дивизия сражалась на Ленинградском направлении. 9 ноября 1941 г. Вюнненберг был произведен в бригадефюреры СС и генерал-майоры полиции, а 15 ноября 1941 г. был награжден Рыцарским крестом Железного крест. Эта награда была присуждена ему за два боя: бой 11 августа в районе деревни Стояновщины, что южнее Луги, когда его полк подбил 17 тяжелых танков и взял хорошо укрепленный бункер, второй бой – 23 августа, когда полк провел успешное наступление юго-западнее Красногвардейска.
16 декабря 1941 г. Вюнненберг был назначен командиром Полицейской дивизии. Все время командования им дивизией он провел под Ленинградом, при этом 24 февраля 1942 г. его дивизия была официально включена в войска СС. Бои были позиционные, особого продвижения не было, но тем не менее 23 апреля 1942 г. Вюнненберг был награжден довольно высокое боевой наградой – дубовыми листьями к Рыцарскому кресту. По случаю этого награжден Гитлер направил ему телеграмму следующего содержания: «В благодарную признательность Ваших доблестных действий в борьбе за будущее нашего народа награждаю Вас как 91-го солдата германского вермахта дубовыми листьями к Рыцарскому кресту Железного креста». Другими наградами стали медаль «За зимнюю кампанию на Востоке 1941/42 гг.» (28 июля 1942 г.), а также звания группенфюрера СС и генерал-лейтенанта полиции, которые он получил 1 июля 1942 г.
7 мая 1943 г. Вюнненберг сдал пост командира дивизии оберфюреру СС Фрицу Шмедесу и поступил в распоряжение Управления личного состава. Уже 10 июня 1943 г. он был назначен и.о. командира IV танкового корпуса; в должности он был утвержден 1 июля 1943 г., когда ему были присвоены звания обергруппенфюрера СС, генерала войск СС и полиции. Корпус только что начал формироваться и располагался в солнечной Франции, в районе Пуатье. В корпус должны были войти 9-я танковая дивизия СС «Гогенштауфен» и 16-я моторизованная дивизия СС «Рейхсфюрер СС». Но пока собственно и штаба-то корпуса не было, лишь 5 августа были назначены первые даа офицера Генштаба, ранее служившие в Полицейской дивизии – штурмбаннфюрер СС Артур Прусс и оберштурмбаннфюрер Карл Вагенкехт. Впрочем, Вюнненберг так ничего сделать не успел, поскольку уже 30 августа покинул гостеприимную Францию и отбыл в Берлин.
К этому времени Курт Далюге по состоянию здоровья уже не мог исполнять свои обязанности. Прибыв в Берлин 31 августа 1943 г., Вюнненберг возглавил Главное управление полиции порядка, однако лишь в качестве исполняющего обязанности, поскольку теоретически Далюге оставался на своем посту до конца войны, таким образом, в его подчинении оказались все полицейские силы (кроме полиции безопасности) в Германии и на оккупированных территориях. Лишь в мае 1945 г., когда Гитлер лишил Генриха Гиммлера постов рейхсфюрера СС и шефа германской полиции, Вюнненберг наконецстал полноправным шефом ORPO, однако дни Третьего рейха были уже сочтены.