На 21 мая 1942 года в состав дивизии входили: 1-й пехотный полк «Гроссдойчланд» (три батальона из прежнего моторизованного полка «Гроссдойчланд»), вновь сформированный 2-й пехотный (позднее — фузилерный) полк «Гроссдойчланд» (три батальона), танковый батальон «Гроссдойчланд» (бывший I батальон 100-го танкового полка), вновь сформированный мотоциклетный батальон «Гроссдойчланд», дивизион истребителей танков «Гроссдойчланд» (бывший 643-й дивизион истребителей танков), танковый артиллерийский полк «Гроссдойчланд» (три дивизиона), армейский зенитно-артиллерийский дивизион «Гроссдойчланд» (бывший 285-й армейский зенитно-артиллерийский дивизион), самоходно-артиллерийский дивизион «Гроссдойчланд» (бывший 192-й самоходно-артиллерийский дивизион), танковый саперный батальон «Гроссдойчланд» (бывший 43-й саперный батальон) и танковый батальон связи «Гроссдойчланд» (бывший 309-й батальон связи).
Появившись сначала в составе 4-й танковой армии на южном направлении Восточного фронта в июне 1942 года, дивизия была вскоре переброшена на север, где участвовала в нескольких оборонительных сражениях под Ржевом (10 сентября — 10 января 1943 года). В конце ноября она была практически окружена в долине Лучесы восточнее Ржева несколькими советскими танковыми частями и потеряла более 10 тысяч человек, прежде чем ей удалось выбраться. Тем не менее дивизия оставалась на фронте до января. После спешной переброски на юг дивизия вела бои под Харьковом (19 января — 31 марта 1943 года) и помогла отбить город, после чего была выведена в резерв в Смоленск. Здесь дивизия получила пополнения и, помимо прочего, штаб танкового полка «Гроссдойчланд» (бывший штаб 203-го танкового полка) и II батальон танкового полка «Гроссдойчланд» (бывший II батальон 203-го танкового полка). Ее мотоциклетный батальон был переформирован в танковый разведывательный батальон. Кроме того, дивизия получила IV артиллерийский дивизион, а танковый батальон «Гроссдойчланд» стал I батальоном танкового полка «Гроссдойчланд». 1 июля 1943 года в состав дивизии вошел батальон «тигров», ставший III батальоном танкового полка «Гроссдойчланд», и дивизия стала танковой дивизией по всем параметрам, кроме названия. Фактически она располагала 300 танками и была значительно сильнее средней танковой дивизии 1943 года.
После отдыха и пополнения с конца марта по 5 июля 1943 года дивизия «Гроссдойчланд» в составе 4-й танковой армии участвовала в операции «Цитадель». Дивизия «Гроссдойчланд» вела бои под Курском (5–12 июля), обороняла Харьков, обороняла Орел и Брянск (18 июля — 5 августа), вела оборонительные бои западнее Харькова (6 августа — 14 сентября) и участвовала в отступлении за Днепр (15–28 сентября). Бои были настолько упорны, что к 29 сентября в дивизии остался всего один боеспособный танк. Остаток года дивизия в основном провела в обороне на участке Днепра под Кременчугом.