Die meiste Zeit ihrer Geschichte war die Division in drei Regimenter unterteilt: 7. Panzer, 69. und 86. Panzergrenadier (mechanisierte Infanterie). Zu den weiteren Einheiten gehörten ein Artillerieregiment und je ein Motorrad-, Aufklärungs-, Panzerjäger-, Pionier- und Fernmeldebataillon.
Die 10. Panzerdivision wurde am 1. April 1939 in Prag als Mischverband aus zuvor in ganz Deutschland aufgestellten Einheiten aufgestellt. Viele dieser Einheiten wurden aus der 20. motorisierten Division, der 29. motorisierten Division und der 3. leichten Division übernommen. Im Herbst 1939 befand sich die Division noch in der Aufbauphase, wurde aber noch vor deren Abschluss zum Überfall auf Polen verpflichtet. Aus diesem Grund blieb die 10. Panzerdivision während des gesamten Feldzugs in Reserve. Sie wurde im August von Pommern nach Polen verlegt, wo ihr in aller Eile das 7. Panzerregiment, die 4. Panzerbrigade und mehrere SS-Einheiten unterstellt wurden.
Die Division schloss ihre Aufstellung bis Anfang 1940 ab. Sie bestand aus der 10. Schützenbrigade mit dem 69. und 86. Schützenregiment, der 4. Panzerbrigade mit dem 7. und 8. Panzerregiment und dem 90. Artillerieregiment.
Nach ihrer Fertigstellung wurde die Division nach Frankreich geschickt, um an der Invasion des Landes teilzunehmen. Dem XIX. Motorisierten Korps unterstellt, wurde die 10. Panzerdivision zusammen mit der 1. und 2. Panzerdivision sowie dem Infanterieregiment Großdeutschland an der südlichen Achse des Kampfes eingesetzt. Sie rückte durch Luxemburg und durchbrach die französischen Linien an der Maas bei Sedan und stieß in ihrem ersten Gefecht bis zum Ärmelkanal vor. In Sedan blieb die Division kurz in Reserve, um den deutschen Brückenkopf über den Fluss vor einem französischen Gegenangriff zu schützen. Von dort aus drängte die Division die alliierten Truppen aus den Häfen in der Region Flandern zurück, bevor sie nach der Kapitulation Frankreichs an Aufräumarbeiten in den westlichen Gebieten Frankreichs beteiligt war. Im März 1941 wurde die Division nach Deutschland zurückgerufen und im Juni desselben Jahres zur Vorbereitung der Operation Barbarossa an die Grenze zur Sowjetunion verlegt. Nach Beginn der Invasion nahm die Division an der Schlacht von Białystok-Minsk, an den Gefechten bei Smolensk und Wjasma sowie an der Schlacht um Moskau teil. Während der sowjetischen Winteroffensive 1941-1942 hielt sie von Januar bis April 1942 die Stellungen bei Juchnow in der Nähe von Rschew gegen wiederholte sowjetische Gegenangriffe. Danach wurde die dezimierte Division zur Reformierung nach Amiens in Frankreich abgezogen.
1942 wurde die Division nach Dieppe verlegt, wo sie bei der Abwehr des Überfalls der Alliierten auf Dieppe eine kleine Rolle spielte. Nach der Landung der Alliierten in Nordafrika wurde die 10. Panzerdivision als Besatzungstruppe in Vichy-Frankreich eingesetzt und Ende 1942, sobald ein Transport zur Verfügung stand, in das afrikanische Theater verlegt. Im Dezember 1942 landete die Division, die nun zur Fünften Panzerarmee gehörte, in Tunesien. Hier nahm sie an der Schlacht am Kasserine-Pass und an mehreren anderen frühen Gefechten mit Einheiten der US-Armee teil, die gerade in den Krieg eingetreten waren. Sie nahmen auch an der gescheiterten Achsenoffensive der Operation Ochsenkopf Ende Februar 1943 teil. Als die Achsenlinie im Mai 1943 zusammenbrach, saß die Division in der Falle. Sie kapitulierte am 12. Mai und wurde nie wieder aufgebaut.