Дивизия оказалась в числе войск, окруженных под Каменец-Подольским («котел Хубе») в апреле 1944 года, когда 1-я танковая армия попала в окружение и была вынуждена пробиваться к своим, сражалась в излучине Днепра, в Северной Украине, в Восточных Карпатах, вела оборону по рекам Сан и Висла и в Восточной Польше. В августе — сентябре 1944 года дивизия вела тяжелые оборонительные бои на Сандомирском плацдарме на западном берегу Вислы, а затем в конце сентября была переброшена на юг, в Карпаты, для обороны перевалов в районе Дуклы (западнее венгерского Надь-Варада). Во время обороны Венгрии 1-я танковая дивизия прикрывала отступление 8-й армии и несколько раз контратаковала прорывавшиеся советские войска, заслужив благодарность за контрудар, нанесенный советским войскам в районе Дебрецена.
С декабря 1944 года по конец марта 1945 года 1-я танковая дивизия занимала оборону южнее Секешфехервара (к юго-востоку от озера Балатон), закрывая советским войскам путь на Грац и Вену. Несмотря на малочисленность, 1-я танковая дивизия действовала в первом эшелоне при попытке немецких войск деблокировать IX горный корпус СС (более 30 тыс. человек), окруженный в Будапеште, и 28 января 1945 года подошла к осажденному гарнизону на расстояние около 15 км. Однако Гитлер отказался дать окруженным войскам приказ на прорыв, и возможность спасти их была упущена. Дивизия отступила в район Секешфехервара. Большая часть 1-й танковой дивизии была уничтожена в период с января по март 1945 года, когда тяжелейшие потери понесла вся 6-я армия. Сама дивизия была окружена 20 марта 1945 года под Ене (южнее Секешфехервара) и сумела с боем вырваться из кольца ценой больших потерь. Однако, несмотря на потери, остатки 1-й танковой дивизии продолжали сражаться при обороне Граца, отступлении в Австрию и обороне Штирии до самого конца войны. Даже 26 апреля 1945 года ей еще удавалось вести контратакующие действия. Конец войны застал дивизию в Хартберге (Штирия, Австрия), однако ей удалось оторваться от советских войск и направиться на запад. Дивизия пересекла демаркационную линию юго-восточнее Линца и сдалась американцам в Мауэркирхене (Верхняя Бавария) 8 мая 1945 года. 13 мая американцы распустили дивизию, а большинство ее солдат к концу июля были отпущены по домам.
Дивизией в разное время командовали генерал-лейтенант барон Максимилиан фон Вейхс (принял командование 1 октября 1935 года), генерал-майор (генерал-лейтенант) Рудольф Шмидт (принял командование 1 октября 1937 года), генерал-майор (генерал-лейтенант) Фридрих Кирхнер (3 ноября 1939 года), генерал-майор (генерал-лейтенант) Ойген Вальтер Крюгер (17 июля 1941 года), полковник Озвин Гролиг (8 августа 1943 года), полковник Вальтер Зет (9 сентября 1943 года), Крюгер (вторично принял командование в сентябре 1943 года), генерал-майор Рихард Колль (1 января 1944 года), полковник (генерал-майор) Вернер Маркс (20 февраля 1944 года), полковник (генерал-майор, генерал-лейтенант) Эбехард Тунерт (18 сентября 1944 года), полковник Хельмут Хупперт (23 апреля 1945 года) и вновь Тунерт (с конца апреля 1945 года до конца войны).