Дёниц поставил целью создать флот из 300 лодок, но эту работу замедляла ограниченность ресурсов стали, на которые претендовали также обычный флот и армия. К началу Второй мировой войны у Дёница было всего 56 лодок, из которых меньше половины могли вести боевые действия в Атлантическом океане. Тем не менее уже к концу сентября потери союзного тоннажа достигли 175 тысяч тонн, а U?47 Гюнтера Прина по плану Дёница в ночь на 14 октября потопила линкор «Ройал Оук» в гавани Скапа Флоу. Встречавший лодку гросс?адмирал Редер прямо на пирсе произвел Дёница в контр?адмиралы.
Верфи выпускали лишь 2 подводные лодки в месяц. Не вернувшиеся из похода субмарины нечем оказалось заменить. В октябре потопленный тоннаж составил 125 тысяч тонн, в ноябре — 80 тысяч тонн и в декабре — 125 тысяч тонн. Общие потери судов союзников составили до 31 марта 1940 года 343610 тонн, что Великобритания, располагавшая тоннажем в 24 млн. тонн и спускавшая 200 тысяч тонн судов ежемесячно, могла выдержать. Использование подводных лодок в норвежской операции и неполадки со взрывателями торпед уменьшили в апреле потопленный тоннаж до 80 тысяч тонн. Только когда после падения Франции подводные лодки Дёница стали выходить из французских портов, время их боевого патрулирования увеличилось и резко возрос уничтожаемый тоннаж, составив за 7 месяцев 343 судна водоизмещением 1 млн. 754 тыс. 501 тонна, что уже начало угрожать безопасности Великобритании, которая не успевала компенсировать потери.
В августе 1940 года вице?адмирал Дёниц перенес штаб?квартиру в Париж, откуда было удобнее руководить подводниками. Он вел скромную, размеренную жизнь, заботился о быте моряков, встречал их после походов, давал возможность отдохнуть и снять нервное напряжение, за что его любили и называли «Папа Карл» или «Лев».
Лишь к концу 1940 года число выпускаемых ежемесячно подводных лодок возросло с 2 до 6. На 1 сентября 1941 года еще насчитывалось только 57 подводных лодок, считая негодные. Англичане же организовали охрану конвоев, начали использовать противолодочные самолеты дальнего действия, и потери германских подводников стали расти.
Дёниц полагал, что войну можно выиграть, если топить суда большим тоннажем, чем противник в силах строить. Он упорно сопротивлялся предложению Гитлера часть подводных лодок перевести в Средиземное море, ибо знал, что они не смогут вернуться из?за сильных западных течений в Гибралтарском проливе. Когда все же пришлось 10 субмарин направить на Средиземное море, это ухудшило возможность проведения операций в Атлантике. Тем не менее подводники и другие военные силы топили судов больше, чем строили канадские и британские верфи.
Объявление Гитлером войны США после Пёрл?Харбора резко ухудшило положение Германии, ибо германский флот не был в состоянии справиться с мощью американской промышленности. Тем не менее, Дёниц сделал все, что возможно, для усиления сопротивления. Сфера деятельности немецкого подводного флота расширилась. Американцы не продумали систему защиты своего судоходства. Уже 15 января 1942 года Дёниц приказал уничтожать американские суда у берегов Америки; к 10 мая были потоплены 303 судна (2015252 тонны). Но в июле американцы начали формировать конвои. Отправка части лодок к берегам Норвегии в начале 1943 года привела к тому, что у американских берегов одновременно действовали лишь 10–12 субмарин. Дёниц чувствовал свое бессилие, и Гитлер в утешение произвел его в марте 1942 года в адмиралы. Когда Редер оставил службу, Гитлер 30 января 1943 года назначил Дёница главнокомандующим кригсмарине с чином гросс?адмирала. Сверх того, моряк продолжал отвечать за развитие немецкого подводного флота на новом этапе войны. Теперь преимущество на море и на суше перешло к союзникам. Подводные лодки стали обнаруживать с помощью радаров, союзники научились раскрывать немецкие шифры и определять места расположения «волчьих стай».
Дёниц переехал в Берлин. Он отговорил Гитлера от истребления надводного флота и старался использовать корабли, чтобы препятствовать хотя бы части кораблей английского флота. Но все же он больше продолжал руководить действиями подводников, которыми теперь командовал адмирал Эберхард Гот. В марте 1943 года «волчьи стаи» потопили 120 судов (627300 тонн), потеряв 11 лодок, и Гитлер наградил гросс?адмирала Дубовыми листьями к Рыцарскому кресту. Но потери подводников росли из?за действий корабельной и базовой авиации американского и английского флотов на выходившие в море и возвращающиеся лодки. В мае германские подводники потопили 56 судов, но и сами лишились 41 субмарины.