11-я танковая дивизия вошла на территорию Советского Союза в составе группы армий «Юг» в июле, воевала под Житомиром, Уманью и Киевом, а затем была передана в группу армий «Центр» для участия в наступлении на Москву. С января по май 1942 года дивизия в составе 4-й танковой армии оборонялась на гжатском направлении. После переброски в июне на южное направление она сражалась под Орлом и Воронежем, на Дону и на Донце. Хотя дивизия участвовала в наступлении на Сталинград, ей удалось избежать окружения, в которое в ноябре попала 6-я армия. Тем не менее она понесла большие потери во время советского зимнего наступления 1942/43 года, при попытке деблокирования Сталинграда и последующем отступлении. 11-я танковая дивизия (ставшая к тому времени боевой группой) принимала участие в остановке советского наступления восточнее Ростова-на-Дону, что позволило сохранить путь к отступлению для группы армий «А». К началу 1943 года дивизия была переформирована вновь, потеряв штаб 11-й моторизованной бригады (расформирован в начале 1943 года), но получив III батальон в 15-й танковый полк (бывший II батальон 35-го танкового полка 4-й танковой дивизии). 61-й мотоциклетный батальон был переформирован в 231-й танковый разведывательный в конце 1942 года, а 20 апреля 1943 года дивизия получила 277-й армейский зенитно-артиллерийский дивизион. После такого усиления 11-я танковая дивизия сражалась под Харьковом, Курском и Белгородом и понесла огромные потери под Кривым Рогом и Кременчугом осенью 1943 года. Вместе с несколькими другими дивизиями она была окружена под Черкассами в феврале 1944 года. Дивизия вырвалась из кольца, но понесла столь ужасающие потери в людях и технике, что ее фактически пришлось воссоздавать заново. В нее влились остатки 416-го гренадерского полка 123-й пехотной дивизии (которая также была разгромлена на Восточном фронте), и дивизия была направлена в район Либурна на юге Франции, где ее пополнил личный состав 273-й резервной танковой дивизии.
11-я танковая дивизия осталась на Западе и некоторое время базировалась в Тулузе. В июле 1944 года она вела сдерживающие действия в долине Роны против союзных войск, высадившихся на юге Франции. Она сражалась в Эльзасе и принимала участие в обороне Бельфора и последующем отступлении в Саар, прежде чем в декабре 1944 года ее направили в Арденны. К началу Арденнского наступления дивизия насчитывала всего 3500 человек, из которых только 800 были пехотинцами, несмотря на то что 23 сентября в состав дивизии вошли остатки 113-й танковой бригады. После провала последнего наступления Гитлера на Западе 11-я танковая дивизия получила подкрепления и была брошена в бой в Саарско-Мозельском треугольнике, где вновь понесла большие потери. Месяцем позже дивизия пыталась ликвидировать плацдарм американских войск под Ремагеном, но в ней оставалось всего 4000 человек, 25 танков и 18 орудий, и ее атаки были отбиты. Тем не менее она была одной из сильнейших дивизий, остававшихся на Западном фронте. В марте Кессельринг приказал перебросить ее в группу армий «Г» на южный участок фронта, что позволило 11-й танковой дивизии избежать окружения в Рурском котле и продолжать сражаться в Шварцвальде до конца войны. Остатки этой опытной боевой дивизии, отличившейся в десятках сражений, сдались в плен американской 90-й пехотной дивизии под Валлерном 2 мая 1945 года.