שימש כקצין בצבא בתקופת מלחמת העולם השנייה, לחם בנאצים והיה בין משחררי היהודים מהעול הנאצי, בעיקר במחנה בוכנוולד.
כשפרצה המלחמה היה הרב בירנבוים בחור כבן עשרים, תושב ברוקלין. הוא קיבל לביתו צו גיוס לצבא ארה"ב, ועל אף חששותיו ורצונו המובן שלא להתגייס, גויס לבסוף לשורות הצבא ונשלח לשדות המערכה.
ערב גיוסו שוחח עם הגאון רבי יצחק הוטנר זצ"ל, שאליו היה מקורב. "בכל יום ויום אמור עשרים פעמים לפחות את פרק צא בתהלים – 'יושב בסתר עליון', ובעזרת ה' תשוב הביתה בריא ושלם", עודדו הרב הוטנר. על אף כל זאת הכין בירנבוים צוואה שבה הורה שאם, חלילה, לא ישוב מהמלחמה – יש להעביר את כספו לישיבתו של הגר"י.
בצבא נאלץ בירנבוים להתמודד עם קשיים רבים, שנבעו בגין היותו שומר תורה ומצוות בסביבה לא-יהודית. אולם מפקדיו זיהו את הפוטנציאל הגבוה הטמון בו, והתעקשו לשלוח אותו לקורס קצינים מזורז בבית הספר לקצונה. לאחר מכן פיקד על כמה יחידות והשתתף בחמש מערכות, שאחת מהן הייתה הפלישה הידועה של כוחות הברית בנורמנדיה.
לקראת סוף המלחמה הגיעה יחידתו לגרמניה והוא היה אחד החיילים הראשונים שנכנסו לשרשרת המחנות שנשאו את השם הכללי "בוכנוולד". שם נכונו לו סדרת חוויות מסעירות ומצמררות, מקצתן מתועדות בתמונות שצילם בעצמו ושפרסמן בספר קורות חייו "לוטננט בירנבוים".
זמן-מה אחר כניסתו למחנה היה נתון לרישומה הקשה של הזוועה שהתגלתה לנגד עיניו, ושממדיה המפלצתיים התחוורו לו רק אז. באחת הפעמים, כשישב באוהלו והכין דו"ח צבאי, ניגש אליו אחד החיילים ומסר לו כי שני צעירים גרמנים מבקשים לשוחח עימו. "קח את הגרמנים ליער ודאג שיהיו בעולם שני אנטישמים פחות!", הגיב בירנבוים בזעם, בלא להניד עפעף.
כעבור דקה חזר אליו החייל. "השניים שואלים אם ידוע לך שהם יהודים", אמר. זעזוע אחז בו למשמע דברי החייל. בשיקול חפוז ובאמירה נמהרת אחת כמעט הביא לידי חיסולם של שניים מאחיו היהודים!
הוא קם ממקומו ויצא בסערה מהאוהל, לפגוש את שני הצעירים. "דיברתם איתי גרמנית!", התגונן החייל שחשבם תחילה לגרמנים. "באיזו שפה רצית שנדבר איתך, שמא ביידיש?! הרי אינך יהודי, אז דיברנו אתך בגרמנית!", ענו השניים.
מאיר שלח את החייל לדרכו והחל לשוחח עם השניים. אלה היו שני נערים חסידיים, יוסל ולייבל בורנשטיין. הם חיפשו יהודי בין החיילים, וכשנודע להם כי אחד המפקדים יהודי, רצו לפגוש אותו.
מאיר פרץ בבכי נרגש וביקש את סליחתם על כי אך לפני דקה ביקש לחסלם. משאלה אחת הייתה בפיהם: להניח תפילין. הוא הציע להם את התפילין שלו, אך הם לא ידעו כיצד להניחן. כשפרצה המלחמה הם היו מתחת לגיל בר-מצווה, ומאז לא ראו תפילין. בהתרגשות עצומה סייע להם להניח תפילין. לאחר מכן נתן להם לסעוד את ליבם בעוגיות ובסרדינים.
