II wojna światowa 25 marca 1941 Dumitrescu został dowódcą 3 Armii, którą dowodził do końca. 5 lipca 1941 3 Armia zajęła Bukowinę i Czerniowce odbijając je od Związku Radzieckiego, który je zajął 28 czerwca 1940. 3 Armia przekroczyła Prut i zajęła Besarabię. 11 Armia niemiecka zajęła prawy brzeg Dniestru. Wtedy armie zamieniły się zadaniami i 11 Armia wraz z Włochami szła dalej na wschód przechodząc przez Boh. 3 Armia pozostała w Rumunii i we wrześniu tego samego roku odparła radzieckie natarcie za Dniestrem gdy Sowieci chcieli zaatakować 11 Armię od tyłu.
Później Adolf Hitler nakazał pozostać w Rumunii Ionowi Antonescu, a 3 Armia wyruszyła na Krym, gdzie wzięła udział w bitwie o Morze Azowskie. Do 10 października 3 Armia przeszła 1700 km od granicy Rumunii biorąc udział w 4 dużych bitwach i 42 mniejszych walkach. Przez ten czas 3 Armia wzięła 15 565 jeńców wojennych, 149 czołgów, 128 sztuk broni artyleryjskiej i ponad 700 karabinów maszynowych przy stratach 10 541 (2555 zabitych, 6201 rannych i 1785 zaginionych w akcji).
Za efekty tej kampanii Dumitrescu, jako drugi Rumun po Ionie Antonescu, otrzymał Krzyż Rycerski Krzyża Żelaznego. Później otrzymał także Liście Dębu. W październiku otrzymał order Michała Walecznego 3. klasy.