Между тем, по оценкам разведки Союзников, дивизия сыграла незначительную и «незаметную» роль в Польской кампании 1939 года и «видную» роль во Французской кампании 1940 года. Она участвовала в завоевании Бельгии, разгроме французских армий под Лиллем в Дюнкеркском котле и в захвате Руана. К моменту подписания перемирия дивизия почти дошла до границы с Испанией. 5-я танковая дивизия оставалась во Франции до января 1941 года, когда она была переброшена в Румынию. В апреле и мае она участвовала в боях на Балканах, сражаясь в Югославии и Греции, в том числе приняв участие в жестоком сражении со 2-й новозеландской дивизией (и ее разгроме) под Молосом. В июле дивизия была направлена на Восточный фронт в распоряжение группы армий «Центр» и участвовала в тяжелых боях, дойдя до самых ворот Москвы (в том числе дивизия сражалась под Вязьмой и на Истринском направлении). Оставаясь на центральном участке фронта, дивизия отражала советское зимнее наступление 1941/42 года и вела оборонительные бои в 1942–1943 гг., включая бои под Ржевом, отступление на Ржевском направлении, бои под Вязьмой, Спас-Демьянском и Гжатском. Во время безуспешной попытки наступления под Курском дивизия понесла тяжелые потери в районе Орла.
Позднее, в том же 1943 году, она вела бои в среднем течении Днепра, а летом 1944 года нанесла контрудар по массам наступавших советских войск, причинив им значительные потери в районе Бобруйска, Ковеля и Минска. 5-й танковой дивизии не удалось переломить ход сражения и вызволить из окружения части 4-й и 9-й армий, и вместе с остатками группы армий «Центр» она отступала через Белоруссию и Польшу, некоторое время сражалась в Курляндии, а затем отступила в Восточную Пруссию, где участвовала в обороне Кёнигсберга и Пилау. В середине апреля дивизия еще вела бои, будучи блокированной на полуострове Земланд, когда немецкий флот получил приказ эвакуировать ее на Запад. Завершить эту операцию до окончания войны не удалось. В момент капитуляции Третьего рейха большая часть дивизии находилась в Померании или на острове Борнхольм. Многие военнослужащие 5-й танковой дивизии сдались Союзникам на Западе, однако значительная часть личного состава еще оставалась на полуострове Гела и вынуждена была капитулировать перед советскими войсками. 5-я танковая была одной из лучших немецких дивизий Второй мировой войны, и в июле 1944 года советское командование рекомендовало своим генералам по возможности избегать столкновений с ней.
Дивизией командовали: генерал-лейтенант Генрих фон Фитингхоф-Шеель (принял командование 24 ноября 1938 года), генерал-лейтенант Макс фон Хартлиб-Вальспорн (18 октября 1939 года), генерал-лейтенант Иоахим Лемельзен (29 мая 1940 года), генерал-майор Людвиг Крювель (6 июня 1940 года), Лемельзен (4 июля 1940 года), генерал-майор (генерал-лейтенант) Густав Фен (25 ноября 1940 года), генерал-майор Эдуард Метц (8 августа 1942 года), полковник Йоханнес Недтвиг (1 февраля 1943 года), генерал-майор Эрнст Феликс Фекенштедт (5 июля 1943 года), генерал-майор (генерал-лейтенант) Карл Декер (7 сентября 1943 года), подполковник Генрих-Вальтер фон Бронзарт фон Шеллендорф (30 декабря 1943 года), Декер (вновь принял командование, 30 января 1944 года), полковник (генерал-майор) Рольф Липперт (16 октября 1944 года), генерал-майор Гюнтер Хофман-Шенборн (19 февраля 1945 года), генерал-майор Карл Кетц (1 апреля 1945 года) и полковник резерва Ганс Херцог (9 апреля 1945 года).