En 1937, toujours pour obtenir davantage de moyens, il intègre le parti nazi. Il est nommé directeur technique du centre d'essais de Peenemünde et assure entre 1939 et 1942 la mise au point de la fusée A4 (Aggregat 4), plus connue sous le nom de V2, avec un V pour Vergeltungswaffe (« arme de représailles »), dont 4 000 exemplaires seront lancés principalement sur l'Angleterre (Londres),la Belgique (Anvers) et les Pays-Bas (la Haye) en 1944 et 1945.
Adulé par le régime - Hitler voit en lui le type du surhomme aryen - il est promu trois fois par Himmler, la dernière fois, en juin 1943, comme SS - Sturmbannführer. En 1943, Hitler donne la priorité absolue au programme des fusées A4. La fabrication des V2 s'intensifie. En 1943, la construction des V2 commence à utiliser des déportés des camps de Dora-Mittelbau et Buchenwald. Von Braun appartient à l'équipe dirigeante des spécialistes des fusées, supervisant les ingénieurs, les travailleurs civils et les déportés de Dora.
La fabrication des V2 fera plus de morts (plus de 10 000 prisonniers ont perdu la vie à Dora) que leur utilisation comme arme. Dans son livre autobiographique, Wernher Von Braun n'admet pas de responsabilité, minimisant sa position dans le camp. Il affirmera toujours n'avoir rien su de la souffrance des déportés et des morts de Dora-Mittelbau. D'après le Hollandais Albert van Dijk, survivant du camp, cette ignorance est invraisemblable.
Dans De l'Université aux camps de concentration, Charles Sadron, scientifique déporté à Dora en février 1944, a écrit, concernant Werner von Braun : « Je dois, cependant, satisfaire à la vérité en signalant que j'ai rencontré un homme qui a eu, vis à vis de moi, une attitude presque généreuse. Il s'agit du Professeur von Braun, l'un des membres de l'état-major technique qui mit au point les torpilles aériennes. Von Braun est venu me voir à l'atelier. C'est un homme jeune, d'aspect très germanique, et qui parle parfaitement le français. Il m'a exprimé, en termes courtois et mesurés, son regret de voir un professeur français dans un tel état de misère, puis il m'a proposé de venir travailler dans son laboratoire. Certes, il ne peut être question pour moi d'accepter. Je refuse brutalement. Von Braun s'excuse et sourit en s'éloignant. J'apprendrai plus tard qu'en dépit de mon refus il aura essayé quand même plusieurs fois d'améliorer mon sort, en vain d'ailleurs ». Lorsque Charles Sadron parle de son « atelier », il s'agit des tunnels dans lesquels travaillaient, vivaient dans des conditions inhumaines et mouraient beaucoup de déportés.