Первое боевое крещение немецкие бронетанковые войска получили в Испании в 1938 году. Четыре танковые роты, вооруженные легкими танками Круппа, приобрели там некоторый опыт, оказавшийся весьма полезным для дальнейшего развития бронетанковых войск. Массированно танки впервые были использованы в войне с Польшей в 1939 году. Тогда потребовалось всего 18 дней, чтобы разгромить вооруженные силы этой страны. При этом численность немецких войск оставалась на уровне мирного времени. Впервые в военной истории был применен и показал свое превосходство принцип маневренного ведения боевых действий с массированным использованием танковых соединений на решающих направлениях.
Когда 10 мая 1940 года начались боевые действия во Франции, то на бывших полях сражений первой мировой войны действовало уже 10 танковых и 4 мотопехотные дивизии. Даже труднопроходимая местность пограничного района Арденн и многочисленные реки и каналы не смогли задержать их стремительного продвижения. Оправдывалось предсказание создателя немецких бронетанковых войск Гудериана: «Ничто не сможет остановить эту мощную ударную силу». Массированное применение танковых соединений оказало революционизирующее влияние на управление и организацию армий других стран. Это влияние сказывается и в настоящее время.
Сразу же после окончания кампании во Франции бронетанковые войска вновь начали готовиться к военным действиям. Планировалось нападение на территорию Англии (операция «Морской Лее»), Для этого потребовалось бы высадить морской десант на Британские острова. Последний участок пути от транспортного судна до берега танкам пришлось бы преодолеть своим ходом, частично под водой. Тщательно проведенные опыты показали, что герметизированный танк может при помощи специального устройства для работы двигателя под водой передвигаться на глубине до 10 м. Но все ограничилось лишь приготовлением — нападение на Англию не состоялось.
В 1941 году перед бронетанковыми войсками встал ряд новых, особенно трудных задач, само многообразие которых уже таило в себе зародыш будущих поражений. В середине февраля немецкие танки были направлены в Северную Африку, чтобы оказать поддержку итальянским войскам. Быстрое продвижение Роммеля, имевшего в своем распоряжении весьма ограниченные бронетанковые силы, сделало широко известным его имя. Почти одновременно с этим немецкие танковые дивизии участвовали в боях на Балканском полуострове, где они встретились с целым рядом трудностей, связанных с действиями в горах.
Однако наиболее серьезной и особенно тяжелой оказалась война против Советской России, начавшаяся из-за действий на Балканах с некоторым опозданием — только 22 июня 1941 года. По плану предполагалось в том же году стремительным ударом отбросить противника к Волге. Предстояло вести боевые действия в стране с выносливым и любящим свою родину населением, на территории, где слабо развита сеть пригодных для передвижения дорог и к тому же множество болот, огромных лесов и мощных рек. Суровые климатические условия также осложняли действия войск. В какой же степени оправдала себя моторизация в этой обстановке?
Перед началом кампании в России количество танковых дивизий было удвоено. Ввиду того что танковая промышленность не могла обеспечить выпуск достаточного количества машин, увеличение числа дивизий пришлось осуществить за счет уменьшения их ударной силы. Вместо танковой бригады двухполкового состава каждая танковая дивизия получала полк двух- или трехбатальонного состава. В пехотных полках только одна рота имела легкобронированные транспортеры для личного состава. Артиллерия располагала лишь небольшим количеством самоходных орудий. Была предпринята попытка повысить боевые качества дивизий путем проведения некоторых специальных мероприятий. Так, чтобы увеличить запас хода танков, использовались прицепы с горючим (которые, впрочем, не оправдали себя), а для преодоления трудных участков пути танки снабжались фашинами. Все это, однако, дало весьма незначительный эффект.
Военная кампания в России началась успешно. Немецкие войска быстро форсировали реки Буг, Березину (на которой в свое время решилась судьба Наполеона), Днепр и Западную Двину и преодолели так называемую «линию Сталина». Была выиграна грандиозная битва за Киев. Казалось, молниеносная война оправдала свое название, но затем наступил первый кризис. Из-за позднего начала операций и потери времени в борьбе за Киев период, благоприятный для ведения боевых действий, резко сократился. Наступила ранняя осень с ее дождями и слякотью. В песках, болотах и грязи выходили из строя двигатели, летели изношенные гусеницы и передаточные механизмы. Войска безуспешно требовали дополнительных танков или хотя бы новых запасных частей. Все их усилия и жертвы не смогли предотвратить неизбежного: бескрайние просторы страны, как и во времена Наполеона, спасли русских.
В начале зимы 1941 года Гудериан, командовавший 2-й танковой армией, которая обходила Москву с юга, со всей свойственной ему прямотой и энергией выступил против дальнейшего продвижения вперед. Попав за это в немилость, он был переведен в резерв главного командования сухопутных войск и вынужден был безучастно наблюдать, как из-за непонимания возможностей бронетанковых войск преждевременно выходил из строя созданный им механизм. Уход Гудериана означал проигрыш сражения и для его армии и для всех бронетанковых войск, где его знали и уважали все, даже самые молодые солдаты.
Конечно, и в дальнейшем предпринимались усилия для того, чтобы увеличить количество танков и повысить их боевую мощь. Ежемесячный выпуск танков достиг 600 машин по сравнению со 125 в 1940 году. Началось запланированное еще в 1940 году производство тяжелых танков «Тигр», а также обладавших хорошей маневренностью средних танков «Пантера», но фронт требовал бронированных машин всех типов. Истекавшая кровью пехота нуждалась в более мощных и подвижных противотанковых средствах. Артиллерия остро нуждалась в самоходных орудиях. Мотопехотные полки танковых дивизий настоятельно требовали бронетранспортеров. Удовлетворить все эти требования было очень трудно, так как возможностей военной экономики явно не хватало. В это время особенно остро ощущалось отсутствие испытанного боевого генерала Гудериана.
В 1942 году удалось добиться новых успехов на фронте. После жестоких зимних боев частично доукомплектованные танковые и моторизованные дивизии снова начали наступление и вместе с 6-й армией вышли к Волге в районе Сталинграда. На Северном Кавказе 1-я танковая армия была уже в 150 км от Каспийского моря. В Африке после неудачно закончившегося первого наступления Роммель молниеносным броском снова достиг границ Египта, на этот раз захватив Тобрук. Но силы немецких войск были уже перенапряжены. В конце года начались крупные неудачи. Одновременно с началом русского наступления под Сталинградом американские войска высадились во Французской Северной Африке. Проиграв сражение под Эль-Аламейном, Роммель был вынужден снова отступить на запад. Немецкая армия теряла свободу оперативного маневра. Звезда бронетанковых войск близилась к закату.
В это исключительно тяжелое время снова вернулся в строй генерал-полковник Гудериан. Назначенный на пост генерал-инспектора, он получил широкие полномочия, используя которые, будь они даны ему раньше, он мог бы избавить армию от больших потерь. Как высший начальник Гудериан отвечал за всю организацию, боевую подготовку и техническое совершенствование бронетанковых войск, включая танковые соединения войск СС. Ему было предоставлено право распределять в войсках все гусеничные и колесные машины. Гудериан добился увеличения производства оправдавших себя в боях танков T-IV (с длинноствольной пушкой), «Тигр» и «Пантера». Началась научно-исследовательская работа по созданию зенитных, разведывательных и мостовых танков, а также танков, управляемых по радио. Гудериан приказал разработать новую организацию танковой дивизии, что позволило бы сократить численность ее личного состава и материальной части с сохранением боевой мощи. Снабжение было организовано на более совершенной основе. Боевая подготовка резервных частей проводилась в условиях, приближенных к боевой обстановке. Были созданы новые, упрощенные уставы, из которых было выброшено все несущественное и которые лучше усваивались благодаря наглядности и простоте изложения. Многочисленные курсы и школы бронетанковых войск теперь подчинялись общему «начальнику учебных заведений», что обеспечивало единство в их работе.