Начиная с 1936 г. все танковые полки дивизии ежегодно должны были поставлять две-четыре роты для формирования новых танковых полков. На их основе были сформированы 7-й, 8-й, 15-й, 35-й и 36-й танковые полки.

1-я танковая дивизия участвовала в оккупации Австрии (1938 год), Судетской области (1938 год) и Праги (1939 год). Первый бой дивизия приняла в ходе Польской кампании (1939 год), форсировав реку Лисварта и пройдя от границы до пригородов Варшавы всего за восемь дней. Она занимала и расширяла плацдарм на восточном берегу Вислы вплоть до 15 сентября, когда дивизия была переброшена в район Бзуры, где получила приказ поддерживать 18-ю пехотную дивизию. После капитуляции Польши дивизия вернулась в места постоянной дислокации, а затем, в конце ноября, была направлена в район Дортмунда на западе Германии. В марте дивизию перебросили в южную часть Эйфеля, а в мае 1940 года она нанесла удар через Люксембург и Южную Бельгию. Дивизия принимала участие в решающей битве под Седаном, входила в состав «танкового клина», расколовшего Францию, и поучаствовала в начальной фазе сражения за Дюнкерк, после чего, развернувшись на юг, она помогла добить обреченную Французскую Республику. Начав наступление 10 июня, 1-я танковая дивизия быстро прорвала «линию Вейгана», несмотря на отчаянное сражение с французскими танками, в котором обе стороны понесли большие потери. Она быстро форсировала Эну и Марну, вышла в тыл «линии Мажино», заняла Безансон, 17 июня вышла к швейцарской границе, а на следующий день взяла штурмом Бельфор. За всю Западную кампанию 1940 года дивизия потеряла убитыми всего 495 человек. После капитуляции Франции, произошедшей 25 июня, 1-я танковая дивизия оставалась во Франции (на полигонах в долине Луары) до сентября, когда она была направлена на переформирование в Восточную Пруссию, в район Цинтен — Зенсбург — Алленштайн. 2-й танковый полк был переведен в новую 16-ю танковую дивизию. Три роты 1-го танкового полка стали ядром 18-й танковой дивизии. Штаб 1-й танковой бригады был расформирован, а в состав 1-й танковой дивизии вошел вновь сформированный 113-й моторизованный полк. При этом 1-я танковая дивизия поглотила III батальон 69-го моторизованного полка (ставший III батальоном 1-го моторизованного полка) и II дивизион 56-го моторизованного артиллерийского полка (тяжелая артиллерия), ставший III дивизионом 73-го танкового артиллерийского полка. Кроме того, в состав дивизии вошла 702-я отдельная моторизованная тяжелая гаубичная батарея, которая была придана моторизованной бригаде. Тем временем танковые части были в основном перевооружены современными танками Pz-III. Кроме того, самое современное вооружение получили противотанковый дивизион и разведывательный батальон. К концу года в дивизии было 155 танков, в том числе 85 Pz-III и 30 Pz-IV.

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.