W czerwcu 1941 pułk JG 51 został przeniesiony na front wschodni. Mölders jako gorliwy katolik był entuzjastycznie nastawiony do wojny z ZSRR. W ciągu 3 tygodni walk zestrzelił 33 radzieckie samoloty i w dniu 15 lipca osiągnął próg 101 zwycięstw. Za to osiągnięcie, jako pierwszy żołnierz niemiecki, został odznaczony Krzyżem Rycerskim z Liśćmi Dębu, Mieczami i Brylantami. W obawie o jego utratę, Hermann Göring wydał mu osobiście zakaz wykonywania lotów bojowych. Mölders został awansowany na stopień pułkownika i mając zaledwie 28 lat objął stanowisko Generalnego Inspektora Lotnictwa Myśliwskiego. Pełniąc tę funkcję odpowiadał za ustalanie taktycznej i operacyjnej doktryny działania myśliwców Luftwaffe.
Po powrocie do Rosji we wrześniu 1941 założył punkt dowodzenia na lotnisku Czaplinka. Oblatywał podległy sobie odcinek frontu w Storchu wyposażonym w radiostację i wydawał polecenia jednostkom na ziemi i w powietrzu. Był to pierwowzór stacji powietrznego naprowadzania, dzisiejszego AWACS-a. W wyniku tych doświadczeń i dzięki jego inicjatywie wprowadzono w Luftwaffe zasadę kierowania myśliwcami z pierwszej linii. Mölders wykonywał także nieoficjalnie, pomimo zakazu, misje bojowe i dowodził aktywnie JG 51.