После отдыха и пополнения с конца марта по 5 июля 1943 года дивизия «Гроссдойчланд» в составе 4-й танковой армии участвовала в операции «Цитадель». Дивизия «Гроссдойчланд» вела бои под Курском (5–12 июля), обороняла Харьков, обороняла Орел и Брянск (18 июля — 5 августа), вела оборонительные бои западнее Харькова (6 августа — 14 сентября) и участвовала в отступлении за Днепр (15–28 сентября). Бои были настолько упорны, что к 29 сентября в дивизии остался всего один боеспособный танк. Остаток года дивизия в основном провела в обороне на участке Днепра под Кременчугом.
1944 год не принес отдыха потрепанной дивизии. Она сражалась под Кировоградом (5–16 января), в нижнем течении Днепра (19 января — 6 марта), севернее Николаева и при отступлении к Бугу (7–27 марта). Тем временем дивизия была усилена совершенно новым 26-м танковым полком, полностью оснащенным новыми танками Pz-V «Пантера». Однако большинству из них была суждена короткая жизнь, так как полк был серьезно потрепан в февральских боях под Черкассами. 26-й танковый полк был отправлен на переформирование во Францию, оказался втянутым в бои в Нормандии и вновь присоединился к дивизии только в октябре. К счастью для дивизии «Гроссдойчланд», ее собственный танковый полк также получил подкрепления. Теперь он состоял из I батальона (пять рот на «пантерах»), II батальона (пять рот на Pz-IV) и III батальона (четыре роты на «тиграх»). Однако основным подкреплением дивизии стал 1029-й усиленный моторизованный полк «Гроссдойчланд», сформированный из резервов дивизии. В его состав входили два моторизованных батальона, артиллерийский дивизион и две противотанковые батареи.
К концу марта дивизия «Гроссдойчланд» была вытеснена с территории СССР в Румынию. Она сражалась на севере Бессарабии и в Прикарпатье (27 марта — 25 апреля), вела оборонительные бои на севере Молдавии (26 апреля — конец мая) и участвовала в контратаках севернее Ясс (2–6 июня).
Во время майского затишья фузилерный полк «Гроссдойчланд» был отведен в тыл и на некоторое время вернулся в Германию, где был полностью оснащен полугусеничными бронетранспортерами. Однако и этот полк, и моторизованный полк «Гроссдойчланд» понесли такие потери, что в них пришлось расформировать четвертые батальоны. Фузилерный полк вернулся на фронт как раз к началу контрнаступления под Яссами, где он понес огромные потери, вследствие которых пришлось расформировать I батальон. Вскоре после этого был расформирован 1029-й полк «Гроссдойчланд», а остатки его личного состава были использованы для восстановления I батальона фузилерного полка. После Ясс танковый саперный батальон «Гроссдойчланд» был усилен почти до уровня полка.
В августе дивизия вновь была брошена на важнейшее направление Восточного фронта — под Гумбиннен (Восточная Пруссия). Группа армий «Север» была окружена в Прибалтике, и дивизия «Гроссдойчланд» была одним из соединений, которым было поручено пробить коридор через кольцо окружения. Дивизии удалось выполнить задачу к 25 августа. Затем на участке фронта Восточная Пруссия — Литва — Латвия наступило затишье, продолжавшееся больше месяца. Однако Гитлер не воспользовался этой возможностью, чтобы отвести 16-ю и 18-ю армии. 5 октября советские войска начали массированное наступление, в результате которого группа армий «Север» была вновь блокирована в Курляндии. Дивизия «Гроссдойчланд» была оттеснена на Мемельский плацдарм, с которого была эвакуирована в Восточную Пруссию силами немецкого флота в конце 1944 года.
Остатки некогда гордой моторизованной дивизии «Гроссдойчланд» были переформированы в районе Вилленберга (Восточная Пруссия) в январе 1945 года. 15-го числа того же месяца дивизии вновь пришлось вступить в бой, когда силы двух советских фронтов устремились к Кёнигсбергу. После упорных февральских оборонительных боев в начале марта дивизия «Гроссдойчланд» нанесла внезапный удар, восстановив сообщение между столицей Восточной Пруссии и Эрмландом. Однако противник был слишком силен, и дивизии пришлось отступать через Фришес-Хафф из Эрмланда в Замланд. После двухнедельного затишья она вновь вынуждена была вести бои при отступлении через Замланд (в том числе под Пилау) и при обороне косы Фрише-Нерунг (12–30 апреля 1945 года). В день самоубийства Гитлера дивизия продолжала держать оборону. За период с 15 января по 22 апреля 1945 года дивизия потеряла 16 988 человек. В строю оставалось всего 4000 человек. Эти остатки были эвакуированы немецким флотом и высажены на берег в Шлезвиг-Гольштейне, где и сдались в плен британским войскам.