Đến khi Thế chiến thứ hai bùng nổ, Milch với cấp bậc Đại tướng Không quân, chỉ huy Không hạm đội số 5 (Luftflotte 5) trong Chiến dịch Weserübung ở Na Uy. Sau khi Pháp thất bại, Milch được thăng cấp Thống chế trong Lễ thăng cấp Thống chế năm 1940 và được phong danh Tổng Thanh tra Không quân. Theo sau đó, Milch phụ trách sản xuất máy bay.[9] Milch đã hủy bỏ việc sản xuất các loại máy bay Me 210 và He 177 không hiệu quả và nguy hiểm và đưa chúng quay lại chương trình phát triển. Theo sự chỉ đạo của ông, việc sản xuất máy bay tập trung vào sản xuất hàng loạt các mẫu thử nghiệm và tiến hành hoạt động thử nghiệm. Mức sản xuất máy bay tăng gấp đôi vào mùa hè năm 1943 so với mùa đông năm 1941-1942. Tooze bình luận: "Lần đầu tiên, ngành công nghiệp sản xuất máy bay của Đức có thể đạt được quy mô kinh tế đáng kể. Các nguồn tài nguyên được bơm vào Luftwaffe vào năm 1940-1941, lúc bấy giờ tập trung vào hoạt động lắp ráp hàng loạt."[10] Để đạt được mức sản xuất lớn này, Bộ Vũ khí và ngành công nghiệp đã hợp tác với SS để trưng dụng lao động từ các trại tập trung. Do mối liên hệ của Milch với SS, Luftwaffe dễ dàng có được lao động nô lệ.[10] Để tăng số lượng, Milch đã hy sinh mặt chất lượng, đáng chú ý là trong trường hợp của máy bay Me 109. Khi Không quân Hoa Kỳ bắt đầu thách thức trực tiếp các lực lượng Luftwaffe, cái giá phải trả cho quyết định của Miclch đã được thấy rõ. Đặc biệt, tính năng của Me 109 G đã thấy rõ trong chiến đấu, theo lời của Tooze, "nhiều hơn một ít so với bẫy chết".[11]

Những thay đổi thường xuyên xung đột trong việc vận hành đã dẫn đến nhiều thay đổi về đặc điểm kỹ thuật và thiết kế của máy bay khiến Messerschmitt không thể tập trung hoàn toàn vào một số loại máy bay và quan trọng nhất là sản lượng sản xuất. Người Đức đã thất bại trong việc đưa sản xuất của họ vào thế chiến một cách vững chắc, tiếp tục điều hành các nhà máy chỉ tám giờ một ngày và không có phụ nữ trong lực lượng lao động. Sản lượng máy bay trong Thế chiến II của Đức không tăng mạnh như sản lượng của Đồng minh, đặc biệt là sản xuất của Liên Xô, đã vượt qua Đức vào năm 1942 và 1943.

Vào ngày 10 tháng 8 năm 1943, Milch cuối cùng đã giải quyết thực tế việc Đức thiếu một máy bay ném bom hạng nặng "bốn động cơ" để thực hiện các cuộc không kích Vương quốc Anh. Ông đã chứng thực Arado Flugzeugwerke nhà thầu phụ cho thiết kế máy bay ném bom hạng nặng chuyên dụng Heinkel He 177B. Chỉ có ba mẫu có thể bay được hoàn thành vào đầu năm 1944.[12] Kể từ tháng 3 năm 1944, Milch, cùng với Albert Speer, giám sát các hoạt động của Jägerstab - một lực lượng đặc nhiệm của chính phủ với mục tiêu là tăng cường sản xuất máy bay tiêm kích, một phần bằng cách chuyển các cơ sở sản xuất xuống dưới lòng đất. Hợp tác với SS, lực lượng đặc nhiệm đóng một vai trò quan trọng trong việc khai thác lao động nô lệ vì lợi ích của ngành công nghiệp máy bay Đức và Luftwaffe.[13]

Năm 1944, Milch đứng về phía Joseph Goebbels, bộ trưởng tuyên truyền và Heinrich Himmler, Reichsführer-SS, trong nỗ lực thuyết phục Adolf Hitler loại bỏ Göring khỏi quyền chỉ huy của Luftwaffe. Khi Hitler từ chối, Göring đã trả đũa bằng việc buộc Milch rời khỏi chức vụ của ông. Trong thời gian cuối của cuộc chiến, ông làm việc dưới quyền của Albert Speer.

Sau khi Hitler tự sát, Milch cố gắng chạy trốn khỏi Đức, nhưng bị lực lượng Đồng minh bắt giữ ở bờ biển Baltic vào ngày 4 tháng 5 năm 1945. Khi đầu hàng, Milch đã nộp gậy chỉ huy cho Chuẩn tướng Anh Derek Mills-Roberts, người rất ghê tởm và tức giận sự tàn bạo của Milch, đã thực hiện lời thề khi giải phóng trại tập trung Bergen-Belsen sẽ bẻ gãy cây gậy chỉ huy bằng cách đánh nhiều cú vào đầu Milch và sau đó còn liên tục đánh Milch bằng chai rượu sâm banh. Chuyện này đã khiến Milch bị chấn thương và hộp sọ bị vỡ.[14]