La division combat d'abord lors de la campagne de Pologne en 1939 puis celle de l'Ouest en 1940. À l'été 1941 elle prend part à l'invasion de l'URSS au sein de l'offensive au centre, qui est prolongée contre Moscou à l'automne. Elle demeure dans la zone centrale du front lors de la retraite et des combats défensifs qui suivent jusqu'au printemps 1942. Elle retourne alors en France avant d'être expédiée en décembre en Tunisie où elle finit par se rendre aux Alliés, en mai 1943. Elle ne sera pas reconstituée.
En juin 1941, la division prend part à l'opération Barbarossa au sein du groupe d'armées centre. Après avoir subi de lourdes pertes aux portes de Moscou et sur le front oriental pendant la contre-offensive russe durant l'hiver 1941-1942, elle est renvoyée en France pour se reconstituer et pour servir de réserve stratégique contre d'éventuelles invasions alliées, tel que le débarquement de Dieppe qu'elle repousse avec succès.
L'Afrikakorps étant pressé de toutes parts en Tunisie après l'opération Torch en 1942, la division vient en renfort à Rommel et participe avec succès à la bataille de Kasserine en 1943, mais elle est ensuite anéantie pendant la prise de Tunis par les américains, le , en même temps que la 15e et la 21e Panzerdivision.
Contrairement à de nombreuses autres divisions détruites à ce moment-là, la 10e Panzerdivision n'a jamais été reconstituée, et a donc définitivement disparu de l'ordre de bataille allemand.
La 10e Panzerdivision a été évoquée par l'historien Raffael Scheck concernant le massacre des soldats sénégalais du ; ceux-ci s'étaient rendus, à Chasselay dans le Rhône[9] pour finir abattus par des mitrailleuses et pour certains écrasés par les chars d'assaut[10]. À la suite de la découverte en 2019 de clichés inédits, l'historien Julien Fargettas attribue ce crime à la Panzerdivision, déjà évoquée par Scheck, plutôt qu'à la 3e division SS Totenkopf, jusque là désignée comme responsable de ce crime[11],[12].
↑Karl-Heinz Frieser (trad. de l'allemand par Nicole Thiers, préf. Werner Rhan), Le mythe de la guerre-éclair : La campagne de l'Ouest de 1940 [« Blitzkrieg-Legende : der Westfeldzug 1940 »], Paris, Belin, , 2e éd., 479 p. (ISBN978-2-7011-2689-0), p. 127 et 129.
George Rosado et Chris Bishop (trad. de l'anglais par Christian Muguet), Le guide d'identification des blindés : Les divisions blindés de la Wehrmacht 1939-1945 [« The essential tank identification guide : Wehrmacht Panzer Divisions 1939-45 »], Paris, Éditions de Lodi, , 192 p. (ISBN978-2-84690-287-8).
(fr + en) François de Lannoy et Josef Charita, Panzertruppen : les troupes blindées allemandes, Bayeux, Heimdal, , 272 p. (ISBN978-2-84048-151-5, OCLC1015457546).