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.