1942年4月，大德意志步兵团升级为摩托化步兵师，下辖2个摩托化步兵团，有6个摩托化步兵营，每个营有5个摩托化步兵连，而普通的摩托化步兵营只有三个连。“大德意志”摩托化步兵师有一个坦克营，一个突击炮营、一个反坦克营和一个防空营。三号和四号坦克有48辆，21辆三号突击炮和11个炮连。武器装备和人员规模，都远超普通的摩托化步兵师。

1942年夏季，“大德意志”摩托化步兵师参与了德军发起的“蓝色”行动计划。1942年7月4日，在德军占领罗斯托夫后，“大德意志”摩托化步兵师就率先渡过顿河，向高加索攻击前进。8月，“大德意志”摩托化步兵师调往顿涅茨河，之后又被调往勒热夫地区，和莫德尔的第9集团军一起拼死抵挡，苏军发起的猛烈反攻。

在3个月的战斗中，大德意摩托化步兵师展现出强悍的作战风格，并取得了十分突出的战绩。为了予以表彰和鼓励，1942年10月初，希特勒向“大德意志”师的两个摩托化步兵团，分别授予“大德意志掷弹兵团”和“大德意志燧发手枪团”的荣誉称号。1943年，德军在斯大林格勒战役遭到惨败，德国第八集团军几乎全军覆没，苏军取得胜利后，直接威胁到德军的南方战线。

为了稳定南方战线，“大德意志”师被德军统帅部抽调到南线，参加了哈尔科夫反击战。德军取得了这次反击战的胜利，暂时稳定住了南方战线。战役结束后，“大德意志”师被改编为装甲掷弹兵师。人数有18000人，兵员全是服役三年以上的老兵。两个步兵团，每团下辖3个掷弹兵营，1个重机枪营。一个装甲团下辖3个装甲营，第一营装备豹式坦克；第二营装备四号；第三营装备虎I，一个炮兵团下辖4个炮兵营。

然而，在库尔斯克战役中，“大德意志”装甲掷弹兵师却吃了大亏。苏军在阵地前沿布设了大量地雷，“大德意志”师大量坦克的履带，都被苏军的地雷炸断。7月中旬，苏军出动大批坦克，发起大规模反击。此时，“大德意志”师的三号坦克已经全部被击毁，还损失了大部分四号坦克和豹式坦克，只好撤往后方休整。

7月12日，苏军对奥廖尔发动进攻。德军防线岌岌可危，“大德意志”师取消休整紧急到前线增援，凭借其顽强的作战风格，硬是挡住了苏军第11集团军对奥廖尔发起的猛攻。否则，德国第9集团军的主力，很可能会被苏军围歼。在此之后，“大德意志”师成为战场救火队，先后参加了第4次哈尔科夫战役、第聂伯河战役等多个战役。

苏军发起全面反攻后，“大德意志”师被迫拆分成多个战斗群，奔波于上千公里的战场上，但仍无法挽救德军在战场上的失败。1944年3月，大德意志师撤至罗马尼亚休整。在休整期间，补充了大量武器装备和战斗人员，仍然是德国国防军中的头号王牌。但是，德军已经处于全面溃败之势，“大德意志”师得到的作战任务，主要是掩护德军其他部队向后撤退。

在1944年4-5月的特尔古-弗鲁莫斯防御战中，“大德意志”师和其他德军部队联手反击，共击毁苏军乌克兰第2方面军的350多辆坦克和200辆装甲车，而“大德意志”师只损失了10辆坦克。1944年11月，在战场上伤亡惨重的"大德意志"师，撤到了东普鲁士。当初成军之时的战斗骨干已经损失了一大半，部队士气低落，作战实力显著下降。

德国统帅部把多支部队补充进"大德意志"师，升级成为“大德意志”装甲军。在苏联军队的猛烈打击之下，此时德军的防线已经处于崩溃的边缘。1945年3月，大德意志装甲师仅剩4000余人，仍然向数倍于己的苏军发起进攻。半个月后，大德意志师几乎全军覆没，仅有少量的士兵逃出包围圈后，向英军投降。