С апреля 1938 года воевал в немецком легионе «Кондор», с 24 мая 1938 — командир 3-й эскадрильи 88-й истребительной группы. В июле — ноябре 1938 года сбил 14 самолётов — 2 И-15, 11 И-16 (ещё один И-16 не был засчитан), 1 СБ.
Был награждён двумя испанскими медалями и немецким Испанским Крестом с Мечами и Бриллиантами. В октябре 1938 года Мёльдерсу присвоили звание капитана.
Вторая мировая война
Западный фронт
Адольф Гитлер беседует с Вернером Мёльдерсом 25 июля 1941 года. Справа имперский маршал Геринг, сзади генерал-фельдмаршал Кейтель
Когда началась Вторая мировая война, командовал эскадрильей на франко-германской границе. 20 сентября 1939 года одержал свою первую воздушную победу в этой войне — сбил британский истребитель. Награждён Железным крестом 2-й степени.
В конце сентября 1939 получил приказ сформировать и принять командование 3-й группой (около 40 самолётов) в составе 53-й истребительной эскадры.
К началу немецкого вторжения во Францию имел на личном счету 9 сбитых самолётов (7 британских и 2 французских). В апреле 1940 награждён Железным крестом 1-й степени. 14 мая 1940 был подбит, но успешно совершил посадку. К 27 мая 1940 довёл личный счёт до 20 сбитых французских и британских самолётов и стал первым из награждённых Рыцарским крестом.
5 июня 1940 года во время своего 133-го боевого вылета и 32-го воздушного боя (в этой кампании) был сбит французским младшим лейтенантом и попал в плен. Через три недели был освобождён после заключения перемирия.
Вернер Мёльдерс в октябре 1940 года
Битва за Британию
В июле 1940 произведён в звание майора и назначен командиром 51-й истребительной эскадры. В своём первом боевом вылете на Британию 28 июля 1940 получил три ранения в ногу, совершил вынужденную посадку во Франции и затем около месяца не совершал вылетов, но продолжал командовать эскадрой.
К 20 сентября 1940 года его личный боевой счёт с начала Второй мировой войны дошёл до 40. Мёльдерс был награждён Дубовыми Листьями к Рыцарскому кресту. К октябрю 1940 личный счёт дошёл до 50, Мёльдерс произведён в звание подполковника. Всего к весне 1941, до перевода на Восточный фронт, сбил 68 самолётов.
Восточный фронт
В июне 1941 51-я эскадра была переведена на Восточный фронт. В первый же день боев командир эскадры Мёльдерс сбил три бомбардировщика СБ и еще пять — 30 июня. Мёльдерс был награждён Мечами к Рыцарскому кресту с Дубовыми Листьями.
К 1 июля 1941 его счет достиг 82-х сбитых, что превысило рекорд аса времен Первой мировой войны Манфреда фон Рихтгофена. К 15 июля 1941 счет Мёльдерса достиг 101 (не считая 14, сбитых в Испании). За это достижение он, первым в Германии, был награжден Рыцарским крестом с Дубовыми листьями, Мечами и Бриллиантами. 20 июля 1941 произведён в звание полковника (нем. oberst). Приказом Геринга Мёльдерсу было запрещено принимать участие в боевых вылетах.
Мёльдерс был переведён на службу в Имперское министерство воздушных сил и назначен инспектором истребительной авиации. 22 ноября 1941 Мёльдерс погиб в авиакатастрофе во время перелёта из Крыма в Германию, на похороны Эрнста Удета.
