В начале 1942 года он снова был отправлен на Восточный фронт. Под его командованием были 5-я стрелковая, 122-я и 129-я пехотные дивизии. В их задачу входила помощь 2-му корпусу по выходу из окружения под Демянском. С этой задачей Зейдлитц справился прекрасно. Но положение немецких частей в этом районе было очень уязвимым, и единственным выходом в такой ситуации было отступление. Благоразумность такого решения понимали все – и Кюхлер, командующий группой армий «Север», и Гальдер, начальник штаба сухопутных войск, но Гитлер своей санкции на отступление не дал. Он хотел использовать выступ под Демянском для будущего контрнаступления, и никакие аргументы о том, что эта болотистая, поросшая лесом местность непригодна для танковой атаки, не могли переубедить его. Почти год объединенные со 2-м корпусом дивизии Зейдлитца удерживали этот выступ, отражая многочисленные атаки советских частей. Предполагаемое наступление так и не было предпринято, а выступ был ликвидирован после поражения немецких войск под Сталинградом.
В мае 1942 года Зейдлитц был назначен командиром корпуса, входившего в состав 6-й армии Паулюса. Летом того же года он был произведен в генералы артиллерии. Его корпус участвовал во втором сражении за Харьков, где ему вместе с 17-м корпусом Холлидта удалось удержать превосходящие в несколько раз по численности части Красной армии до подхода 1-й танковой армии фон Клейста. Сражение закончилось окружением советских войск: в плен были взяты более 200 тысяч солдат, уничтожено 1250 танков и более 2 тысяч орудий.
Во время наступления на Сталинград удача изменила корпусу Зейдлитца. Начав штурм города 7 сентября, его войска продвигались крайне медленно, так как им приходилось отражать постоянные контратаки частей Красной армии и, кроме того, продвижение было затруднено преградами и завалами, которые приходилось расчищать. К 13 сентября Зейдлитц взял Мамаев курган, но это только усилило сопротивление частей РККА. Когда же возможность окружения 6-й армии Паулюса стала реальной, Зейдлитц, несмотря на приказ Гитлера стоять до последнего, стал настаивать на немедленном прорыве и отступлении. Но Паулюс отверг несанкционированный план прорыва, сказав: «Я не могу идти против воли Гитлера и не могу двинуться без его разрешения».
Зейдлитц не подчинился приказу и решил отвести большую часть своих войск из-под удара, сохранив ее для будущего прорыва. Но сделать этого ему не удалось, так как, заметив перемещение, советские войска атаковали отходившие части, нанеся им серьезный урон.
За неподчинение приказу Зейдлитца хотели привлечь к суду, но Паулюс не стал заводить дело.
Решение не уходить из Сталинграда означало конец для 6-й армии. Спасти ее мог только командующий, который отважился не подчиниться приказу фюрера. Зейдлитц, и не только он, рекомендовали Паулюсу идти на прорыв. В корпусе Зейдлитца было уже уничтожено все лишнее снаряжение, которое мешало бы на марше. Но Паулюс остался непреклонен.
В начале января 1943 года советское командование предложило Паулюсу сдаться, но он даже не ответил на ультиматум. После очередного наступления частей Красной армии Зейдлитц сам предложил Паулюсу сдать город, но Паулюс снова ответил отказом. Тогда Зейдлитц отдал приказ по своему корпусу, разрешающий сдаваться в плен, если станет ясно, что сопротивление бесполезно. Сам Зейдлитц попал в плен 30 января.
Вальтер фон Зейдлитц был отправлен в лагерь для военнопленных, где был подвергнут идеологической обработке. Еще до плена он был убежден, что любое действие, которое ускорит падение Гитлера, станет благом для Германии. А Сталинград и плен окончательно убедили его в этом.
Согласившись на сотрудничество, Зейдлитц был переведен в Лунево, где он и еще около ста немецких офицеров образовали Лигу германских офицеров, председателем которой стал Вальтер фон Зейдлитц. В задачу Лиги входила пропагандистская работа по деморализации немцев, попавших в окружение, с целью убедить их сдаться. В распоряжение Лиги были предоставлены радиоустановки, громкоговорители и агитационные грузовики. Но первый же опыт не принес положительного результата, и стало ясно, что затея с Лигой была неудачной.
26 апреля 1944 года военный трибунал в Дрездене приговорил Зейдлитца заочно к смертной казни как виновного в государственной измене. От его жены потребовали начать бракоразводный процесс. Но, несмотря на развод, жена Зейдлитца была арестована и заключена в тюрьму. То же произошло с его дочерьми и зятем. Младшие дети были отправлены в детский концентрационный лагерь.
Судьба Зейдлитца также оказалась нелегкой. После провала Лиги он был отправлен в Ростов и содержался в довольно жестких условиях. В Ростове он находился до 1954 года, не имея никаких сведений о семье. Затем он был переведен в Москву в Бутырскую тюрьму.
Только после посещения СССР канцлером ФРГ Аденауэром, который потребовал освободить из советских тюрем всех заключенных немцев, большинство их были выпущены на свободу.