9-я танковая дивизия воевала на Западе в 1940 году, сыграв важную роль в выводе Нидерландов из войны всего за шесть дней, несмотря на то что дивизия была оснащена второсортными чешскими танками. Затем дивизия участвовала в боях под Антверпеном, Брюсселем, Аррасом и Дюнкерком. После падения Дюнкерка 9-я танковая дивизия вошла в состав танковой группы фон Клейста, добивавшей Францию. Она прорвала «линию Вейгана», вышла к окраинам Парижа, форсировала Уазу, Эну, Марну и Луару, захватив при этом тысячи пленных. 9-я танковая дивизия проделала самый длинный путь из всех немецких дивизий, задействованных в кампании на Западе, и к моменту капитуляции Франции достигла Лиона. Вернувшись в Вену в июле, дивизия получила II батальон 3-го танкового полка, который стал III батальоном 33-го танкового полка. Тем временем 102-й танковый артиллерийский полк получил III дивизион. 59-й мотоциклетный батальон был переформирован в разведывательный и стал 9-м разведывательным (позднее — танковым разведывательным) батальоном. В сентябре дивизия была направлена в Польшу в распоряжение ХХХХ танкового корпуса.

Весной 1941 года 9-я танковая дивизия была переправлена в Румынию и участвовала в блицкриге на Балканах. Она шла на острие удара 12-й армии и успешно отрезала греческие войска от югославских. Затем она начала теснить основные силы британских, греческих и австралийских войск в Македонии, пока те не обратились в бегство. Затем дивизия была отозвана в Румынию для участия в нападении на Советский Союз. В составе группы армий «Юг» дивизия пересекла границу 28 июня, прорвала «линию Сталина» 7 июля, прошла по Украине, поучаствовала в окружении советских войск под Уманью, заняла Кривой Рог и Никополь (соответственно, 16 и 17 августа) и захватила плотину через Днепр в Днепропетровске 25 августа. 9-я танковая дивизия действовала в первом эшелоне 1-й танковой группы (фон Клейста) при окружении Киева с юга, пока 2-я танковая группа Гудериана обходила город с севера. Они соединились 15 сентября, оставив в кольце окружения пять советских армий. В ходе этой операции было захвачено около 667 тысяч пленных и 900 танков. После разгрома войск, окруженных под Киевом, 9-я танковая дивизия была передана в танковую армию Гудериана для наступления на Москву. Она участвовала в окружении советских войск под Брянском и после задержки, вызванной распутицей, 2 ноября взяла Курск. Наконец, дивизия была остановлена под Тулой. По-прежнему оставаясь на южном направлении, 9-я танковая дивизия отразила зимнее наступление советских войск 1941/42 года, удержав участок фронта восточнее Щигров, несмотря на тяжелые бои, которые прекратились лишь в марте 1942 года.

Во время затишья весной 1943 года 102-й танковый артиллерийский полк лишился IV (зенитно-артиллерийского) дивизиона, полученного в 1942 году. Эта часть получила наименование 287-го армейского зенитно-артиллерийского дивизиона и вошла в состав частей дивизионного подчинения 20 апреля 1943 года. Были и более серьезные изменения: 9-я моторизованная бригада была расформирована, а 33-й танковый полк потерял два из трех батальонов, один из которых (I батальон) получил «тигры» и был направлен во Францию, где находился в резерве командования западного направления. Затем дивизия была переброшена в Орел, где участвовала в сражении под Курском с 5 июля 1943 года по 13 июля, когда наступление было остановлено. В ходе боев 9-я танковая дивизия немного продвинулась вперед, но понесла тяжелые потери.

После провала операции «Цитадель» 9-я танковая дивизия прикрывала отступление 9-й и 2-й танковых армий к северу от Орла и Кирова, а затем в конце августа провела ряд боев в маневренной обороне восточнее Брянска. Вернувшись на южное направление, дивизия вела упорные бои на Миусе, а также под Сталино (Донецк), Запорожьем, Кривым Рогом и Одессой и при отступлении за Днепр. К январю 1944 года в дивизии оставалось всего 13 танков; ее пехотные и артиллерийские части также сильно поредели. Не покидая фронта, дивизия медленно отступала через Ингулец и Ингул. Наконец, после отвода с фронта в апреле, она была направлена на переформирование на юг Франции, в Авиньон. Здесь в состав дивизии 1 мая 1944 года влилась 155-я резервная танковая дивизия и некоторое время велась подготовка личного состава. В январе 1944 года дивизия получила 51-й танковый батальон, оснащенный танками Pz-V «Пантера», который стал новым II батальоном 33-го танкового полка. С апреля по июнь дивизия получила всего 74 Pz-IV, 20 штурмовых орудий и 15 «пантер», а также 31 устаревший Pz-III и 200 легкобронированных машин. В конечном итоге дивизия была направлена на реку Рона севернее Марселя и к моменту высадки Союзников насчитывала 12 768 человек. Она помогала прикрывать отступление группы армий «Г» на юге Франции, а в начале августа была спешно переброшена в Нормандию на помощь разваливающейся 7-й армии. Дивизия успела принять участие в боях под Фалезом. Хотя 9-й танковой дивизии удалось избежать окружения, она все равно понесла ужасающие потери и к 12 августа насчитывала моторизованный батальон, дивизион самоходных орудий и пять танков. Затем дивизия отступала через Сену и сражалась в восточных предместьях Парижа, после чего заняла блокирующую позицию на Марне. К концу августа дивизия была в Монсе (Бельгия) и, согласно официальной истории армии США, имела численность, «эквивалентную роте, без исправных танков и орудий». Ко 2 сентября ее численность была доведена до 1700 пехотинцев (в середине августа их было всего 140) и двух батарей трофейных 105-мм самоходных орудий, но танков дивизия по-прежнему не имела. В течение первой недели сентября дивизия для решения тактических задач была объединена со 2-й танковой дивизией. Оставаясь на фронте, она участвовала в боях под Арнемом и Ахеном, а также в других сражениях на «линии Зигфрида», где потеряла еще тысячу человек — примерно две трети своего боевого состава. Ее контратаки против американских войск под Ахеном с 11 по 15 сентября привели к снятию с должности командира дивизии и его начальника оперативного отдела. Когда в конце сентября дивизия была выведена в резерв группы армий «Б», соотношение ее штатной и фактической численности было таково:

Во время осуществления Союзниками операции «Маркет-Гарден» 9-я танковая дивизия была спешно переброшена в район Арнема, но к моменту ее прибытия бои там уже почти завершились. После переброски на запад от Рура в течение первых трех недель октября дивизия вновь была восстановлена, получив 11 тыс. человек подкреплений и 178 единиц бронетехники, из которых не менее 50 составляли танки Pz-V «Пантера» новейшей модификации (в это число входит 105-я танковая бригада, присланная VIII военным округом и вошедшая в состав 9-й танковой дивизии 27 сентября). Кроме того, дивизия получила 30 105-мм и 150-мм самоходных гаубиц и 240 небронированных машин. Вскоре она вновь была на фронте, сдерживая наступление американских танков на Венло, что стоило ей потери 30 «пантер».