Po většinu své historie byla divize organizována do tří pluků: 7. tankový a 69. a 86. panzergrenadier (mechanizovaná pěchota). K dalším jednotkám patřil dělostřelecký pluk a po jednom motocyklovém, průzkumném, stíhači tanků, ženijním a signálním praporu.
10. tanková divize byla poprvé zformována 1. dubna 1939 v Praze jako složená formace složená z již dříve vytvořených jednotek po celém Německu. Mnohé z těchto jednotek byly převedeny z 20. motorizované divize, 29. motorizované divize a 3. lehké divize. Na podzim 1939 se divize teprve formovala, ale přesto byla nasazena k invazi do Polska ještě před jejím dokončením. Z tohoto důvodu zůstala 10. tanková divize po většinu tohoto tažení v záloze. V srpnu byla přesunuta z Pomořanska do Polska, kde jí byly narychlo předány k řízení 7. tankový pluk, 4. tanková brigáda a několik jednotek SS.
Divize dokončila své formování počátkem roku 1940. Skládala se z 10. střelecké brigády s 69. a 86. střeleckým plukem, 4. tankové brigády se 7. a 8. tankovým plukem a 90. dělostřeleckého pluku.
Po dokončení byla divize odeslána do Francie, aby se zúčastnila invaze do této země. Přidělena k XIX. motorizovanému sboru, byla 10. tanková divize nasazena na jižní osu bojů spolu s 1. a 2. tankovou divizí a pěším plukem Großdeutschland. Přesunula se přes Lucembursko a prolomila francouzské linie u řeky Meuse poblíž Sedanu a v prvním střetnutí postoupila až k Lamanšskému průlivu. U Sedanu zůstala divize krátce v záloze, aby chránila německé předmostí přes řeku před francouzským protiútokem. Odtud divize vytlačila spojenecké síly z přístavů v oblasti Flander a poté se zapojila do likvidačních operací v západních oblastech Francie po francouzské kapitulaci. Následně se divize zapojila do okupačních povinností a výcviku ve Francii.
V březnu 1941 byla divize odvolána do Německa a v červnu téhož roku se v rámci příprav na operaci Barbarossa přesunula k hranicím se Sovětským svazem. Po zahájení invaze se divize zúčastnila bitvy u Białystoku-Minsku, bojů u Smolenska a Vjazmy a bitvy o Moskvu. Během sovětské zimní ofenzívy v letech 1941-1942 držela od ledna do dubna 1942 pozice u Južnova nedaleko Rževa proti opakovaným sovětským protiútokům. Poté byla vyčerpaná divize stažena do Amiens ve Francii, aby byla reformována.
V roce 1942 byla divize převelena do Dieppe, kde sehrála menší roli při potírání nájezdu spojeneckých vojsk na Dieppe. Jakmile se Spojenci vylodili v severní Africe, byla 10. tanková divize zařazena do okupační služby ve Vichystické Francii a koncem roku 1942, jakmile byl k dispozici transport, spěchala na africké divadlo. V prosinci 1942 se divize, nyní součást 5. tankové armády, vylodila v Tunisku. Zde se zúčastnila bitvy o Kasserinský průsmyk a několika dalších počátečních bojů s jednotkami americké armády, nově zapojenými do války. Zúčastnili se také neúspěšné ofenzívy Osy v rámci operace Ochsenkopf na konci února 1943. Když se linie Osy v květnu 1943 zhroutila, divize se ocitla v pasti. Dne 12. května kapitulovala a již nikdy nebyla obnovena.