В ночь на 26 июня 1941 года дивизия СС «Мертвая голова» перешла границу Советского Союза. В рядах дивизии Ламмердинг отличился в боях в Прибалтике. Затем воевал на северном участке советско-германского фронта. В очередной характеристике Ламмердинга отмечалось, что «во время кампании против Советского Союза Ламмердинг показал себя во всех обстоятельствах как способный, нестандартно мыслящий и энергичный командир, проявив хладнокровие во всех критических ситуациях». Когда вечером 6 июля 1941 года командир дивизии Теодор Эйке был тяжело ранен, Ламмердинг принял на себя командование дивизией и продолжил атаку на укрепления «линии Сталина», сыграв главную роль в ее успешном и быстром прорыве. Особенно хорошо проявил себя Ламмердинг в тяжелых боях 8-10 июля в районе Себеша и Опочки, где ему удалось прорвать сильно укрепленные позиции советских войск. 10 июля эсэсовцы ворвались в Опочку. Фактически ему пришлось исполнять обязанности командира дивизии и при Клейнхейстеркампе, который числился командиров всего несколько дней, и на первых порах при Георге Кепплере, пока тот входил в курс дела. Именно на Ламмердинга легли основные обязанности по руководству дивизией в тяжелых боях 16 июля — 14 августа 1941 года на Лужском рубеже — укрепленной линии, протянувшейся от озера Ильмень до Финского залива. 1 сентября 1941 года Ламмердинг произведен в оберштурмбаннфюреры СС. В декабре 1941 года Эйке обратился к командованию с ходатайством о награждении Ламмердинга (который был его креатурой и пользовался его постоянной поддержкой) Золотым Германским крестом, но в тот момент в штабе посчитали, что заслуг у оберштурмбаннфюрера пока недостаточно и ему пришлось ждать этой награды еще полтора года.

Ламмердинг очень часто подменял Кепплера, который недостаточно хорошо знал «специфику» дивизии, а затем вновь стал ближайшим помощником вернувшегося в сентябре 1941-го в дивизию Эйке. Как и большинство военнослужащих дивизии СС «Мертвая голова», в боях в Демянском котле Ламмердинг показал себя отличным офицером, приняв важное участие в организации обороны внутренних рубежей кольца. В середине июня 1942 года находившийся в состоянии практически полного истощения Ламмердинг (одновременно с Эйке, надоевшим командованию просьбами о выводе дивизии на отдых) по приказу руководства отбыл в отпуск в Германию. После окончания отпуска в начале июля Ламмердинг не был отправлен на фронт. Ему была поручена подготовка пополнений для «Мертвой головы» на территории Германии — в этот момент рейхсфюрер принял довольно специфическое решение: готовить пополнение для дивизии и отправлять новобранцев прямо под Демянск. Ламмердинг вместе с Симоном и Эйке пытался добиться разрешения об отводе дивизии в Германию, где к ветеранам смогло бы присоединиться подготовленное им пополнение, сохранив тем самым высокую боеспособность и монолитность дивизии. Однако командование вновь настояло на отправке пополнений по мере готовности в котел, где их практически сразу вводили в бой, что приводило к высоким потерям. Попытка Ламмердинга воспрепятствовать отправке в Демянский котел подготовленных им 170 офицеров и унтер-офицеров провалилась. 1 августа 1942 года Ламмердинг был, вполне заслуженно, награжден Восточной медалью — медалью «Зимняя кампания на Востоке 1941/42 годов».

С 10 августа 1942 года оберштурмбаннфюрер СС Гейнц Ламмердинг был назначен командиром 5-го гренадерского полка СС «Туле» — это произошло в тот момент, когда Гитлер наконец дал согласие на вывод «Мертвой головы» с фронта. Фактически же 5-й полк СС уже не существовал, его потери в Демянском котле были чрезвычайно велики. Ламмердингу же предстояло фактически создать полк с нуля, для чего он прежде всего использовал и подготовленное им в Падерборне пополнение. В октябре 1942 года ветераны советско-германского фронта наконец были отправлены в Бордо, куда были одновременно переброшены и воспитанники Ламмердинга. В числе других частей полк Ламмердинга принял участие в оккупации в конце 1942 года южной части Франции, а затем и несении оккупационной службы — боевых столкновений во время этой операции у полка не было.

30 января 1943 года — после довольно значительного перерыва — Ламмердинг был произведен в следующее звание штандартенфюрера СС. Знаменательно, что именно в этот день части дивизии были погружены в вагоны и взяли курс на Украину. Полк Ламмердинга принял участие в 3-м Харьковском сражении, когда дивизиям СС под общим командованием Пауля Хауссера удалось почти невозможное — вернуть освобожденный советскими войсками Харьков. 5 марта «Мертвая голова» начала наступление, обходя город с севера и отрезая советским войскам путь к отступлению. 15 марта эсэсовцы захватили мост через Донец у Чугуева и завершили окружение, разгромив 25-ю гвардейскую стрелковую дивизию. Затем части дивизии приняли участие во взятии Белгорода. 25 апреля 1943 года за отличия, проявленные во время 3-го Харьковского сражения Гейнц Ламмердинг был наконец награжден Германским крестом в золоте,[Кроме того, Ламмердинг имел еще одну довольно почетную среди фронтовиков награду — Общий штурмовой знак в серебре (Allgemeine Sturmabzeichen in Silber).] а еще через два дня он принял от оберфюрера СС Германа Присса командование моторизованной дивизией СС «Мертвая голова». Однако долго возглавлять свою дивизию Ламмердингу не пришлось, он только вывел ее на отдых и пополнение и уже 15 мая передал командование своему боевому товарищу, герою Демянска бригадефюреру СС и генерал-майору войск СС Максу Симону.