Pendant la majeure partie de son histoire, la division était organisée en trois régiments : 7e Panzer, et 69e et 86e Panzergrenadier (infanterie mécanisée). Les autres unités comprenaient un régiment d’artillerie et un bataillon de motocyclistes, un bataillon de reconnaissance, un bataillon de destruction de chars, un bataillon de génie et un bataillon de signalisation.
La 10e Panzer Division a été formée pour la première fois le 1er avril 1939 à Prague, en tant que formation composite constituée d’unités précédemment établies dans toute l’Allemagne. Beaucoup de ces unités ont été transférées de la 20e division motorisée, de la 29e division motorisée et de la 3e division légère. À l’automne 1939, la division était encore en cours de formation, mais elle était néanmoins engagée dans l’invasion de la Pologne avant que le processus ne soit terminé. Pour cette raison, la 10e Panzerdivision est restée en réserve pendant la majeure partie de cette campagne. Elle est déplacée de Poméranie en août vers la Pologne, où on lui confie à la hâte le contrôle du 7e régiment de Panzer, de la 4e brigade de Panzer et de plusieurs unités SS.
La division achève sa formation au début de 1940. Elle est composée de la 10e brigade de fusiliers avec les 69e et 86e régiments de fusiliers, de la 4e brigade de panzers avec les 7e et 8e régiments de panzers et du 90e régiment d’artillerie.
Une fois complète, la division est envoyée en France pour participer à l’invasion de ce pays. Engagée dans le XIXe corps motorisé, la 10e Panzerdivision est déployée sur l’axe sud des combats, avec les 1re et 2e Panzerdivisions ainsi que le régiment d’infanterie Großdeutschland. Elle traverse le Luxembourg et perce les lignes françaises sur la Meuse près de Sedan, avançant jusqu’à la Manche lors de son premier engagement. À Sedan, la division est restée brièvement en réserve pour protéger la tête de pont allemande sur le fleuve contre une contre-attaque française. De là, la division a repoussé les forces alliées des ports de la région des Flandres, avant de s’engager dans des opérations de rattrapage dans les régions occidentales de la France après la capitulation française. Après cela, la division s’est engagée dans des tâches d’occupation et de formation en France.
En mars 1941, la division a été rappelée en Allemagne, et s’est déplacée vers la frontière avec l’Union soviétique en juin de la même année en préparation de l’opération Barbarossa. Une fois l’invasion lancée, la division participe à la bataille de Białystok-Minsk, aux engagements à Smolensk et Vyasma, et à la bataille de Moscou. Pendant l’offensive soviétique de l’hiver 1941-1942, elle a tenu ses positions à Yukhnov, près de Rzhev, contre les contre-attaques soviétiques répétées de janvier à avril 1942. Par la suite, la division épuisée est retirée à Amiens, en France, pour être reformée.
En 1942, la division est transférée à Dieppe, où elle joue un rôle mineur en contrant le raid de Dieppe par les forces alliées. Une fois que les Alliés ont débarqué en Afrique du Nord, la 10e Panzerdivision a été placée en service d’occupation dans la France de Vichy, et s’est précipitée vers le théâtre africain à la fin de 1942 dès que le transport est devenu disponible. En décembre 1942, la division, qui fait désormais partie de la Cinquième armée panzer, débarque en Tunisie. Elle y participe à la bataille du col de Kasserine et à plusieurs autres batailles initiales avec des unités de l’armée américaine, nouvellement engagées dans la guerre. Ils ont également pris part à l’offensive ratée de l’Axe, l’opération Ochsenkopf, fin février 1943. Lorsque la ligne de l’Axe s’est effondrée en mai 1943, la division a été prise au piège. Elle se rendit le 12 mai et ne fut jamais reconstruite.