10-я армия генерал-лейтенанта Вальтера фон Рейхенау была переименована в 6-ю армию и вошла в группу армий «Б» под командованием Бока. По первоначальному варианту операции «Гельб» в ее задачу входило уничтожение на территории Бельгии полевых сил французов и англичан силами танковых соединений, которые почти все вошли в ее состав. При изменении операции, когда был принят план, предложенный Манштейном, большинство мобильных соединений 6-й армии были переведены в группу армий «А», что вызвало протест со стороны Рейхенау. Теперь в задачу 6-й армии входили только вспомогательные функции по оттягиванию мобильных сил противника для создания возможности прорыва основными силами войск вермахта. Для этой операции Рейхенау дали 4-й, 11-й и 27-й корпуса, а также 16-й моторизованный корпус Гепнера. Под его началом оказались 2 танковые, 14 пехотных и 1 моторизованная дивизии.

После начала боевых действий частям Рейхенау противостояли часть голландской армии, бельгийская армия и соединения французской армии под командованием генерала Корапа. Рейхенау, однако, быстро преодолел сопротивление бельгийцев и захватил переправы, а немецкие парашютисты под командованием Штудента нейтрализовали важный форт Эбен-Эмаэль. Наступление Рейхенау было столь стремительным, что голландская армия была вынуждена отступить в глубь страны, оголив левый фланг бельгийцев, и Рейхенау осталось только расширить коридор, разъединив голландцев и бельгийцев. В то время как голландцы и бельгийцы отступали, союзники стягивали к Рейхенау дополнительные части. Именно в этом и состояла задача Рейхенау, с которой он прекрасно справился. Затем французам также не удалось остановить танковые дивизии Рейхенау, которые при поддержке люфтваффе стремительно продвигались вперед. Не имея возможности установить связь с голландской армией и боясь быть отрезанными частями 6-й армии, французы начали отступление к западу.

15 мая главнокомандующий союзными войсками генерал Гамелен решил начать вывод всех союзных сил из Бельгии, но было поздно. Гудериан уже обошел их правый фланг, а Рейхенау продолжал, нанося мощные удары, теснить их с фронта, сделав организованное отступление союзников невозможным. Рейхенау наступал на Брюссель, когда, к его досаде, высшее командование сухопутных сил отобрало у него 16-й моторизованный корпус и передало группе армий «А». Но Рейхенау смог овладеть бельгийской столицей и выйти в тыл французской 1-й армии, угрожая ее коммуникациям. Продолжая непрерывно атаковать, Рейхенау смог добиться небольших успехов, так как к 21 мая союзникам удалось стабилизировать фронт и подтянуть мобильные резервы, которых у Рейхенау не было.

24 мая Рейхенау нанес удар по правому флангу бельгийской армии, прорвав оборону на реке Лис, а затем при поддержке бомбардировщиков стал преследовать отступающие бельгийские части. Получив от Бока подкрепление в составе 4-го корпуса и 61-й пехотной дивизии, войска 6-й армии штурмовали Оденар и прорвали оборону между Лисом и Гелюве. 26 мая армия Рейхенау вступила в ожесточенный бой с частями бельгийцев и 5-й английской дивизией. Рейхенау удалось оттеснить войска союзников и расширить район прорыва. На следующий день бельгийские части были практически окружены, что вынудило короля Бельгии Леопольда выслать парламентеров и начать обсуждать возможность капитуляции. 28 мая бельгийская армия капитулировала. Выключение из борьбы бельгийской армии сделало позицию французской 1-й армии безнадежной. Рейхенау совершил стремительный рейд по ее тылам и к северу от Лилля соединился с 4-й армией Клюге. Шесть дивизий попали в окружение и сдались 30 мая.