Первая мировая война
В Первую мировую войну вступил добровольцем в армию, фенрихом (кандидат в офицеры). Был награждён Железными крестами обеих степеней, в конце войны произведён в лейтенанты. Остался на службе в рейхсвере.
Между войнами
Служил в кавалерии. В 1938 году в звании капитана переведён в штаб 3-й танковой дивизии.
Вторая мировая война
Участвовал в Польской кампании, награжден планкой к Железному кресту 2-й степени (повторное награждение). С марта 1940 года — майор, командир мотоциклетного батальона 1-й танковой дивизии. За Французскую кампанию награждён планкой к Железному кресту 1-й степени. С апреля 1941 года — подполковник.
С 22 июня 1941 года участвовал в германо-советской войне. С июля 1941 года — командир стрелкового полка в 1-й танковой дивизии. Бои в Белоруссии, затем в районе Смоленска и Вязьмы. В декабре 1941 года награждён Золотым немецким крестом.
В 1942 году — бои в районе Ржева. В феврале 1942 года подполковник фон Витерсхайм награждён Рыцарским крестом, с апреля — полковник. В январе 1943 года за бои в районе Ржева награждён Дубовыми листьями (№ 176) к Рыцарскому кресту.
С августа 1943 года полковник фон Витерсхайм командует 11-й танковой дивизией (на Украине). С ноября 1943 года — генерал-майор. В марте 1944 года награждён Мечами (№ 58) к Рыцарскому кресту с Дубовыми листьями. В июне 1944 года 11-я танковая дивизия переброшена во Францию, с июля 1944 года фон Витерсхайм в звании генерал-лейтенанта.
5 мая 1945 года остатки дивизии сдались в американский плен, но фон Витерсхайм сумел скрыться и в плен взят не был.
