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.