После отступления от Волги 6-я танковая дивизия с боями отступила за Дон и Донец и приняла участие в контрударе под Харьковом, где она составляла одну сторону клещей, вторую часть которых составлял II танковый корпус СС. В следующем месяце I батальон 11-го танкового полка был направлен в Германию для переоснащения новыми танками Pz-V «Пантера». В результате в дивизии остался всего один танковый батальон (II батальон 11-го танкового полка), оснащенный в основном машинами Pz-IV. Из-за превратностей войны I батальон вернулся в состав дивизии только через 20 месяцев. Тем временем 6-я танковая дивизия участвовала в операции «Цитадель» (Курской битве), в боях под Белгородом и в 4-м сражении за Харьков, во время которого дивизия удерживала город в течение 10 дней, несмотря на массированные атаки советских войск. К моменту отступления из города 23 августа дивизия уничтожила свой 1500-й советский танк.
Не в силах удержаться на Днепре, 6-я танковая дивизия вместе с остатками группы армий «Юг» отошла на запад, где фельдмаршал Эрих фон Манштейн временно усилил дивизию 503-м тяжелым танковым батальоном (34 «тигра») и II батальоном 23-го танкового полка (47 «пантер»). Вместе с II батальоном 11-го танкового полка эти части составили «тяжелый танковый полк Бэке» во главе с командиром 11-го танкового полка полковником Бэке. 6-я танковая дивизия произвела отчаянную контратаку, уничтожив одним ударом 268 советских танков и 156 орудий. Спустя несколько дней Бэке возглавил деблокирующий удар под Черкассами и спас почти половину войск, попавших в окружение в этом районе в феврале 1944 года. После этого дивизия продолжила отступление через Украину.
Следующий месяц принес очередной кризис. Пока 6-я танковая дивизия безуспешно обороняла Тарнополь (Тернополь), новое наступление советских войск привело к окружению всей 1-й танковой армии (200 тыс. человек в 18 дивизиях, включая 6-ю танковую) в районе Каменец-Подольска, к востоку от Днестра. Командующий армией генерал Ганс-Валентин Хубе принял командование «блуждающим котлом» и приказал боевой группе Бэке возглавить прорыв. Попытка удалась, и боевая группа достигла немецких позиций в районе Бучача 7 апреля 1944 года. Несмотря на потери и почти полное истощение, 6-я танковая дивизия осталась на фронте, приняв участие в успешных попытках немецких войск стабилизировать положение в Галиции.
Когда в мае 1944 года 6-я танковая дивизия была наконец отведена в Тарнополь (Тернополь), а затем и в Германию, она была переформирована в соответствии со штатом танковой дивизии 1944 года, то есть ее штатная численность уменьшилась на 2000 человек. При этом дивизии пришлось отказаться от приданных частей, оснащенных «пантерами» и «тиграми», а штатная численность рот была уменьшена с 22 танков до 17. Штаб и II батальон 114-го моторизованного полка получили бронетранспортеры, однако I батальон остался моторизованным. В полку был сформирован неофициальный (и противозаконный) III батальон, представлявший собой добровольное формирование из кавалеристов-казаков.
6-я танковая дивизия была спешно направлена на центральный участок Восточного фронта вскоре после того, как советские войска окружили основные силы 4-й и 9-й армий в районе Бобруйска и Минска. С приближением советских войск к Балтийскому морю над 3-й танковой армией нависла угроза окружения. 6-я танковая дивизия была переброшена в Восточную Пруссию с задачей держать открытым коридор для отступления, что она и сделала, вызволив при этом 5000 немецких солдат, окруженных под Вильно (Вильнюсом). После этого (в конце августа 1944 года) дивизия была направлена на рубеж реки Нарев (север Польши), где ей было поручено организовать подвижную оборону Восточной Пруссии. В ходе этих боев дивизия уничтожила свой 2400-й советский танк. Затем истощенная 6-я танковая была переброшена в Венгрию, где принимала участие в боях под Будапештом, в контрнаступлении у озера Балатон, отступлении в Австрию и сражении за Вену. За время отступления из Венгрии потрепанная, но закаленная в боях дивизия несколько раз попадала в окружение, но всякий раз вырывалась. В апреле 1945 года она обороняла Имперский мост в Вене (последний мост через Дунай) от многочисленных атак советских войск, что позволило многим немцам, как военным, так и гражданским, уйти. 14 апреля город пал, и 6-я танковая дивизия отступила на север. Войну она закончила в Моравии, под Брюнном (Брно), на южном участке Восточного фронта. За время войны эта отличная дивизия понесла очень тяжелые потери: 7068 убитых, 24 342 раненых и 4230 пропавших без вести — всего 35 640 человек. Ее максимальная численность никогда не превышала 17 тысяч человек, а обычно была намного ниже. Остатки 6-й танковой дивизии сдались американской 3-й армии, но были переданы советским войскам, и большинство бывших танкистов следующие десять лет провели в советских лагерях.