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.