В течение первого года на Восточном фронте 23-я танковая дивизия потеряла более 90 % своих танков. Однако количество уничтоженных при этом советских танков превышало ее потери в шесть или семь раз. Например, за период с 13 по 22 мая, когда дивизия вела оборонительные бои в районе Харькова, она уничтожила 136 вражеских танков. 128-й дивизион истребителей танков и I батальон 201-го танкового полка (они были переданы в распоряжение VII корпуса и действовали отдельно) уничтожили еще 86 машин. При ликвидации Изюмского котла юго-западнее Харькова 23-я танковая дивизия доложила об уничтожении еще 95 советских танков. В ходе наступления на Кавказ (28 июня–21 ноября) дивизия уничтожила 349 советских танков, а в боях под Сталинградом, на Дону, в Донбассе и на Миусе (14 декабря 1942 года — 17 марта 1943 года) дивизия уничтожила 282 танка, доведя общий счет до 948 машин.
Весной 1943 года дивизия была выведена в резерв новой 6-й армии и отведена на переформирование в Одессу. Здесь 23-я танковая дивизия получила крупные подкрепления и немало новой техники. Кроме того, она была реорганизована, потеряв штаб бригады и III батальон 201-го танкового полка. Летом и осенью того же года дивизия вела тяжелые бои, принимая участие в отступлении от Миуса и из центральной части Донбасса (4 июля — 17 августа), во втором сражении за Изюм (18–26 августа), а также в отступлении от излучины Донца и в отходе к Днепру (28 сентября — 31 декабря 1943 года). В начале 1944 года дивизия держала оборону на юге Украины, сражаясь, в том числе, на Никопольском плацдарме. В феврале 1944 года дивизия удостоилась благодарности за участие в боях к западу от Днепра, где она в марте была окружена в районе Кривого Рога. Вырвавшись из окружения с огромными потерями, 23-я дивизия сократилась в численности до боевой группы.
Действуя в качестве «пожарной команды», она сражалась в таких далеко отстоящих друг от друга местах, как Кривой Рог, Крым и Никополь. Вынужденная наконец отступить, 23-я танковая дивизия отошла к Бугу (7–26 марта), а затем в Северную Бессарабию и Прикарпатье (27 марта — 12 мая). Она сражалась на ясском направлении (30 мая — 6 июня 1944 года), вела бои под Кросно (30 июля — 1 августа) и держала оборону на мелецком направлении (2–18 августа). Все это время 23-я танковая дивизия продолжала наносить советским войскам потери, намного превосходившие ее собственные. Только в ходе боев под Степановкой (19–23 июля 1943 года) она уничтожила 57 советских танков. В боях под Изюмом (16 августа — 6 сентября 1943 года) она уничтожила еще 372 машины, а в течение следующих двух недель увеличила свой счет еще на 47 танков. На плацдарме под Мишуриным Рогом (3–14 октября 1943 года) дивизия подбила еще 21 советскую машину, уничтожив еще 188 танк в период с 15 по 31 октября. Также она уничтожила 109 советских танков под Кривым Рогом и при отступлении к Бугу (1 ноября 1943 года — 9 марта 1944 года). В боях под Яссами и западнее Прута потрепанная, но опытная вестфальская дивизия подбила еще 74 советских танка (1 апреля — 1 июня 1944 года).
В середине августа 1944 года 23-я танковая дивизия была направлена в Польшу и приняла участие в ударах по Сандомирскому плацдарму на западном берегу Вислы. Через месяц (после румынской катастрофы) она вернулась в распоряжение группы армий «Юг» и участвовала в контрнаступлении 8-й армии под Ньиредьхаза (23–29 октября 1944 года) и заняла город, уничтожив или вынудив противника оставить около 600 танков — крупная удача для немцев на пятом году войны. 23-я танковая дивизия также участвовала в контрударе западнее Дебрецена и вновь получила благодарность за выдающиеся действия при обороне на равнинах Центральной Венгрии (6 октября–27 октября 1944 года). Весь ноябрь она оборонялась между средним течением Тиссы и Дунаем, после чего была направлена под Секешфехервар, где удерживала оборону до марта 1945 года. Когда фронт 6-й армии в Венгрии рухнул, значительная часть дивизии была окружена и уничтожена в средневековом Секешфехерваре. Остатки 23-й танковой дивизии сражались на озере Балатон (конец марта 1945 года), под Кестели (28 марта) и севернее Радкерсбурга. Дивизия была разгромлена под Грацем весной 1945 года, но еще продолжала вести бои в австрийском Штирмарке, когда пал Берлин и покончил с собой Гитлер. 23-я танковая дивизия (вместе с I кавалерийским корпусом, которому она в это время подчинялась) оторвалась от частей Советской армии и 10 мая под Маутерндорфом сдалась в плен майору Маунтджою из британского 5-го нортгемптонского полка. К этому времени в дивизии было всего 200 человек — около одной шестой от численности в 1942 году. Позднее уцелевшие солдаты 23-й танковой дивизии были переданы американской 7-й армии.