1-я танковая дивизия оставалась в Восточной Пруссии до 22 июня 1941 года, когда началось вторжение в Советский Союз. В Восточной кампании 1941 года дивизия входила в состав 4-й танковой группы (позднее — армии) группы армий «Север». Она вторглась в Литву и приняла участие в июньском разгроме хорошо оснащенного советского 3-го механизированного корпуса в районе Динабурга (Даугавпилс). Прорвав «линию Сталина» в районе Острова 5 июля, через девять дней дивизия заняла плацдарм на другом берегу Луги в районе Сабека и удержала его, несмотря на яростные контратаки советских войск. 1-я танковая дивизия понесла большие потери, и к 16 августа в ней насчитывалось всего 44 боеготовых танка. Тем не менее она продолжала наступление на Ленинградский оборонительный рубеж, приняв участие в ожесточенных боях на Дудергофских высотах. Затем дивизия была передана в группу армий «Центр» и 2 октября 1941 года присоединилась к частям, наступавшим на Москву. Она форсировала Днепр и 13 октября заняла Калинин. Здесь ей пришлось вести тяжелые бои до ноября. В конце месяца дивизия приняла участие в последнем рывке на Москву и подошла к советской столице на расстояние около 30 км. 1-я танковая дивизия была вынуждена отражать зимнее наступление Красной Армии, в ходе которого войска дивизии были частично окружены и вынуждены прорываться к своим. В ходе сражения за Клин, завершившегося 14 декабря, экипажам 1-й танковой дивизии, оставшимся без машин, пришлось сражаться в качестве пехоты, вооружившись гранатами.
В 1942 году дивизия принимала участие в нескольких оборонительных сражениях на центральном участке фронта, в основном на Ржевском выступе, подвергавшемся атакам советских войск с трех направлений. К февралю 1942 года усилиями ремонтников число боеспособных танков дивизии удалось довести до одной полной роты (18 Pz-III). Остальная часть 1-го танкового полка временно использовалась в качестве импровизированных лыжных рот. В течение следующих шести месяцев дивизия вела оборонительные бои на важнейшем северном участке фронта 9-й армии в треугольнике Ржев — Сычевка — Оленино. К весне она наконец-то получила новую технику. Помимо прочего, 37-й противотанковый дивизион получил 24 длинноствольных 75-мм пушек и дюжину 75-мм противотанковых самоходок, а танковый полк получил новые танки. В июле 1942 года дивизия вновь получила подкрепления, и в ее состав вошел тяжелый артиллерийский дивизион (IV дивизион 73-го танкового артиллерийского полка), однако при этом 1-му танковому полку пришлось расстаться с одним батальоном, переданным 16-й танковой дивизии группы армий «Юг». В марте следующего года 1-я танковая дивизия лишилась и мотоциклетного батальона.
Несмотря на ослабление, дивизия получила приказ вместе со 102-й пехотной дивизией обеспечивать прикрытие основного пути снабжения 9-й армии. В начале июля в районе Пушкарей 1-я и 2-я танковые дивизии окружили два советских кавалерийских корпуса, две пехотные дивизии, две механизированные бригады и несколько десантных батальонов. Совместно с пехотой они подавили сопротивление, уничтожив или захватив 218 танков, 592 орудия и 1300 противотанковых пушек. В следующем месяце советские войска прорвали фронт, пробив 50-км брешь в обороне 9-й армии. 1-я танковая дивизия совместно с 5-й танковой дивизией вновь сыграла важную роль в восстановлении линии фронта и ликвидации прорыва. До конца года она продолжала отбивать советские атаки и участвовать в контратаках местного значения. За двадцать один день дивизия уничтожила 65 советских тяжелых и сверхтяжелых танков КВ-1 и КВ-2. Во время советского зимнего наступления 1942/43 года 1-я танковая дивизия обороняла Белый и, несмотря на тяжелые бои, не позволила перерезать важнейшее шоссе на Сычевку. В бою за Босино I батальон 1-го моторизованного полка потерял убитыми и ранеными всех своих офицеров, но продолжал держать оборону и даже контратаковать. В усиление батальону была дана 2-я рота 1-го танкового полка, которая уничтожила 35 КВ-2 и Т-34, но при этом потеряла убитыми и ранеными своего командира, а также двух взводных командиров из трех. Командование ротой принял унтер-офицер Георг Шеффер, подбивший за два дня более 25 советских Т-34 и сорвавший наступление противника. Вскоре после этого XXXXI танковый и XXX армейский корпуса восстановили линию фронта и отрезали передовые части советских войск, которые затем были уничтожены.
В январе 1943 года 1-я танковая дивизия, поредевшая из-за потерь и передачи своих частей в другие соединения, была отведена в тыл на отдых и переформирование. Сначала она была направлена в Амьен (Франция), а затем в Коэкидан (Бретань), где временно получила на вооружение трофейные танки «Гочкис» и «Сомуа». В июне дивизия была переброшена на север Пелопоннеса (Греция), поскольку Гитлер и его командование поверили дезинформации, будто Союзники собираются высадиться там в июле 1943 года. Настоящей же целью высадки была Сицилия. Когда в сентябре Италия попыталась отколоться от Оси, 1-я танковая дивизия сыграла важную роль в окружении итальянской 11-й армии, которая почти не оказала сопротивления. Тем временем в мае 1943 года в штат дивизии был включен 299-й армейский моторизованный зенитный дивизион, а в октябре дивизия уже располагала достаточным количеством танков Pz-V «Тигр», чтобы оснастить ими батальон. Кроме того, она получила около 100 «пантер» (Pz-VI) и вновь обрела полную боеспособность. На следующий месяц дивизия была вновь отправлена на Восточный фронт и сражалась на южном участке фронта в составе 1-й танковой армии, за исключением I батальона 1-го танкового полка, который оставался в Италии, севернее Триеста, в качестве мобильного резерва командующего юго-западным направлением. К дивизии этот батальон присоединился только в октябре. Тем временем остальные подразделения 1-й танковой дивизии принимали участие в сражениях за Киев и Житомир, который был занят в ночь с 17 на 18 ноября, контрнаступлении юго-западнее Киева (ноябрь — декабрь 1943 года) и последовавших за ним боях под Житомиром и Бердичевом (конец 1943 г. — начало 1944 г.). На следующий год 1-я танковая дивизия выполняла функции «пожарной команды» 1-й и 4-й танковых армий, раз за разом оказываясь на самых ответственных участках трещавшего по швам немецкого фронта. В феврале 1944 года 1-я танковая дивизия шла на острие удара, который должен был деблокировать XI и ХХХХII корпуса, окруженные под Черкассами. Дивизия не сумела преодолеть последние 10 км, отделявшие ее от окруженных, но эти усилия позволили спастись из «котла» примерно половине немецких войск. На следующий месяц 1-я танковая дивизия спасла 96-ю и 291-ю пехотные дивизии в ходе весеннего наступления советских войск. Потери дивизии к этому времени были огромными. На 14 марта 1944 года в ее моторизованных батальонах оставалось по 25 % личного состава от штатной численности. Так же обстояли дела в батареях средней зенитной артиллерии и в 1-м танковом разведывательном батальоне. Артиллерийский полк был в лучшем состоянии: его легкие батареи сохранили 50 % состава, а тяжелые батареи — 85 %. Численность 37-го танкового саперного батальона составляла 30 % от штатной, а 1-й танковый полк имел 50–60 боеспособных танков.
Дивизия оказалась в числе войск, окруженных под Каменец-Подольским («котел Хубе») в апреле 1944 года, когда 1-я танковая армия попала в окружение и была вынуждена пробиваться к своим, сражалась в излучине Днепра, в Северной Украине, в Восточных Карпатах, вела оборону по рекам Сан и Висла и в Восточной Польше. В августе — сентябре 1944 года дивизия вела тяжелые оборонительные бои на Сандомирском плацдарме на западном берегу Вислы, а затем в конце сентября была переброшена на юг, в Карпаты, для обороны перевалов в районе Дуклы (западнее венгерского Надь-Варада). Во время обороны Венгрии 1-я танковая дивизия прикрывала отступление 8-й армии и несколько раз контратаковала прорывавшиеся советские войска, заслужив благодарность за контрудар, нанесенный советским войскам в районе Дебрецена.
С декабря 1944 года по конец марта 1945 года 1-я танковая дивизия занимала оборону южнее Секешфехервара (к юго-востоку от озера Балатон), закрывая советским войскам путь на Грац и Вену. Несмотря на малочисленность, 1-я танковая дивизия действовала в первом эшелоне при попытке немецких войск деблокировать IX горный корпус СС (более 30 тыс. человек), окруженный в Будапеште, и 28 января 1945 года подошла к осажденному гарнизону на расстояние около 15 км. Однако Гитлер отказался дать окруженным войскам приказ на прорыв, и возможность спасти их была упущена. Дивизия отступила в район Секешфехервара. Большая часть 1-й танковой дивизии была уничтожена в период с января по март 1945 года, когда тяжелейшие потери понесла вся 6-я армия. Сама дивизия была окружена 20 марта 1945 года под Ене (южнее Секешфехервара) и сумела с боем вырваться из кольца ценой больших потерь. Однако, несмотря на потери, остатки 1-й танковой дивизии продолжали сражаться при обороне Граца, отступлении в Австрию и обороне Штирии до самого конца войны. Даже 26 апреля 1945 года ей еще удавалось вести контратакующие действия. Конец войны застал дивизию в Хартберге (Штирия, Австрия), однако ей удалось оторваться от советских войск и направиться на запад. Дивизия пересекла демаркационную линию юго-восточнее Линца и сдалась американцам в Мауэркирхене (Верхняя Бавария) 8 мая 1945 года. 13 мая американцы распустили дивизию, а большинство ее солдат к концу июля были отпущены по домам.
