Die 20. Panzer-Division wurde am 15. Oktober 1940 in Erfurt, im Werkreis IX , aufgestellt. Die Division entstand dabei aus Teilen der 19. Infanterie Division, die Artillerie wurde hauptsächlich von Heeres-Artillerie-Abteilungen gestellt. Die Aufstellung der Division sollte zum 1. Mai 1941 beendet sein. Bereits bei dieser noch recht frühen Aufstellung einer Panzer-Division zu Kriegszeiten machte sich der Mangel an geeigneten Fahrzeugen bemerkbar, so daß die Division ein buntes Gemisch an französischen, deutschen und polnischen Fahrzeugen erhielt. Die volle Ausstattung mit Kraftfahrzeugen bis zum 1. Mai 1941 ließ sich nicht durchführen. Im Mai 1941 trafen die Vorbefehle für die Verlegung der Division nach Ostpreußen ein.
Bis zum 19. Juni wurde die Division in den Suwalki-Zipfel verlegt, um von hier aus ab dem 22. Juni am Feldzug gegen Rußland teilzunehmen. Aus dem Raum nördlich von Suwalki stieß die Division nach Wilna vor und drehte von dort aus nach Minsk ab, wo größere russische Truppenkontingente eingeschlossen werden konnten. Am 1. Juli wurde die Division im Einschließungsring um Minsk durch die 12. Panzer-Division abgelöst und setzte daraufhin ihren Vormarsch nach Osten zur Beresina und Düna fort. Am 7. Juli überquerte die Division zwischen Ulla und Komatschino die Düna und stieß anschließend auf Witebsk vor. Bei der Eroberung der Stadt kam es zu schweren Kämpfen. Im Anschluss sammelte die Division bei Surash und setzte ihren Vormarsch in Richtung Nordosten in Richtung Welisch fort. Von Welisch aus drehte die Division wieder nach Osten ab und erreichte Ende Juli 1941 den Raum nördlich von Smolensk. Nach dem Abflauen der Kämpfe in diesem Bereich erhielt die Division einige Tage Ruhe. Am 18. August setzte sie ihren Vormarsch nach Norden in den Raum Welikije-Luki fort. Nach dessen Einnahme stieß die Division auf Toropjez vor, drehte dann erneut nach Norden ab und ging anschließend gegen  Demjansk vor. Nach Beendigung dieser Bewegung wurde die Division Ende September per Bahn und im Landmarsch in den Mittelabschnitt der Ostfront in den Raum Roslawl. Bis dahin betrugen die Verluste der Division 929 Gefallene, 2.420 Verwundete und 50 Vermißte. Im Raum Roslawl sammelte sich die Division zum Stoß auf Moskau, wobei sie durch vorangegangene Ausfälle an Material bereits nicht mehr voll einsatzfähig war. Am 2. Oktober 1941 begann die deutsche Offensive gegen Moskau, wobei die 20. Panzer-Division nicht rechtzeitig bereit gestellt werden konnte, um von Beginn an an der Offensive teilzunehmen. Die Division folgte im zweiten Treffen der 19. Panzer-Division und deckte die nördliche Flanke der Division. Dabei wurden Teile der Division bei der 19. Panzer-Division sowie der 3. und 17. Infanterie-Division eingesetzt. Bis Anfang Dezember erreichten die Reste der Division den Raum um Namenskoje und Matschichino östlich der Nara. Hier endete der Vormarsch der Division. Am 5. Dezember erhielt sie den Befehl, sich wieder hinter die Nara zurückzuziehen, um anschließend als Armee-Reserve nach Norden in den Raum Wolokolmansk zu verlegen. Es folgten Einsätze in der Rusa-Linie bei Rusa, wo eine Auffanglinie gebildet wurde. Mitte Januar 1942 wurde der Rusa-Brückenkopf geräumt und die Divisionsreste setzten sich in den Raum östlich von Gshatsk ab. Von dort aus wurde die Division in den Raum um Pawlowskoje verlegt und Anfang Februar beiderseits der Worja südlich von Temkino zur Abwehr am Below-Kessel an der Ugra eingesetzt. Dabei besetzte sie eine Abwehrstellung zwischen der Kesselfront und der östlichen Frontlinie, hatte also die Abwehr sowohl nach Westen als auch nach Osten aufrecht zu halten. Im April 1942 wurde der Below-Kessel schließlich zerschlagen. Anschließend setzte das Tauwetter allen Bewegungen vorerst ein Ende. Im Anschluß an die Winterkämpfe kam es zu größeren Umstrukturierungen innerhalb der Division. Um die starken Verluste auszugleichen, wurden einzelne Stäbe und Bataillone aufgelöst und die Reste auf die Division verteilt. Anschließend begann die Auffrischung der Division in ihren Stellungen an der Ugra. Am 30. Juni 1942 endete der Stellungseinsatz der Division an der Ugra und es folgte die Verlegung in Richtung Rshew. Zwischen Rshew und Bjeloy kam es zur Vernichtung eines russischen Kessels. Nach leichten Abwehrgefechten und Aufklärungsvorstößen zwischen Wlademirskoje und Petelino sowie dem letzten Angriff am 10. Juli mit Panzern auf Wassilejewo nach Wlasskowo etwa 30 - 35 km südostwärts von Bjeloy zog die 20. Panzer-Division ihre eingesetzten Teile in den Raum Dorogobusch zusammen. Anfang August 1942 wurde die Division dann per Bahn nach Smolensk verlegt. Nach einer kurzen Ruhepause verlegte die Division über Roslawl - Brjansk nach Orel und dann im Landmarsch in den Raum Bolchow-Cholm. Hier sollte die Division am Abschneiden des Suchinitschi-Zipfel mitwirken. Der eigene Angriff traf jedoch auf einen starken und gut vorbereiteten Gegner und wurde unter erheblichen Verlusten für das Panzer-Regiment abgewiesen. Im Anschluß wurde die Division in Kampfgruppen aufgesplittert und südlich von Ssuchinitschi zu Abwehreinsätzen eingesetzt. Am 19. September 1942 wurde die Division durch die 231. Infanterie-Division in der HKL abgelöst. Teile der Division verblieben bei der 231. Infanterie-Division in der HKL. Der Rest der Division setzte sich in Richtung Ljudinowo-Shisdra in Marsch, um den Raum Kzyn - Moilowo - Brusny - Wysokoje zu erreichen.  In Krylowka und weiteren Orten um Brjansk herum übernahm die Division die von der vorher dort gelegenen 11. Panzer-Division frei gemachten Quartiere. Nach einer kurzen Auffrischungsphase verlegte die Division ab dem 15. Oktober 1942 in den Raum Smolensk und von dort aus weitere 100 km in den Raum Prtschisstaja, wo sie Quartier bezog. Anfang November 1942 wurde die Division zum Partisanen-Einsatz im Raum Bukinos-Paschkowa-Burisy-Koloschina-Warnawina eingesetzt. Nach einem russischen Einbruch bei der 7. Luftwaffen-Feld-Division im Raum Bjeloy am 26. November 1942 wurden Teile der Division zur Bereinigung dieses Einbruchs eingesetzt. Dabei konnten die eingebrochenen russischen Truppenteile eingekesselt und bis Mitte Dezember 1942 vernichtet. Anschließend trat die Division zur Armee-Reserve über. Teile der Division wurden anschließend im Lutschessa-Tal bei der 12. Panzer-Division eingesetzt.
Anfang Februar 1943 zeichnete sich wieder eine eigenständige Verwendung der Division ab. Ab dem 3. Februar verlegte die Division in den Raum Orel um den russischen Durchbruch bei Woronesch abzuriegeln. Beim LV. Armeekorps eingesetzt, kämpfte die Division zusammen mit der 18. Panzer-Division im Raum südlich von Orel, um den russischen Einbruch einzudämmen. Nach dem Abflauen der Kämpfe in diesem Raum wurde die 20. Panzer-Division Ende März 1943 durch die 86. Infanterie-Division abgelöst und zur Auffrischung hinter die Front verlegt. Hier wurde die Division für ihren Einsatz beim Unternehmen "Zitadelle" vorbereitet. Mit Beginn der Schlacht um Kursk am 5. Juli 1943 wurde die Division im ersten Treffen beim XXXXVII. Panzerkorps im nördlichen Zangenarm der deutschen Offensive eingesetzt. Sie stieß über Podoljan auf Samodurowka vor Am 10. Juli mußte die Division ihren Vormarsch einstellen und ging zur Verteidigung über, um die Flanke der 4. Panzer-Division, die rechts der Division angriff, zu sichern. Nach Beginn der russischen Gegenoffensive wurde die Division am 14. Juli 1943 von der 4. Panzer-Division abgelöst und in den Raum nördlich von Orel verlegt, um hier gegen die anlaufende russische Gegenoffensive eingesetzt zu werden. Ab dem 16. Juli wurde die Division im Orelbogen westlich von Bolchow zum Abwehrkampf eingesetzt. Nach dem Verlust des heftig umkämpften Ortes Stolptscheje zog sich die Division kämpfend bis zum 8. August auf eine Stellung nördlich und östlich von Chotyhez, west-nordwestlich von Orel zurück. Es folgten schwere Abwehrkämpfe beiderseits der Rollbahn Rosslawl - Juchnow, zuerst südlich von Jelnja und ab dem 10. September östlich und südöstlich von Rosslawl. In Kampfgruppen aufgeteilt, zog sich die Division bis Anfang Oktober 1943 über den Pokot zurück, wo sie gesammelt und geringfügig aufgefrischt wurde. Bereits am 8. Oktober folgte der Befehl zur Verlegung der Division nach Norden. Bis Mitte Oktober 1943 erreichte die Division den Versammlungsraum um Gorodok. Hier traf die Division auf einen russischen Einbruch zwischen Ssenniza- und Jeserischtsche, den sie im Verband des IX. Armeekorps bereinigen sollte. Nachdem der russische Einbruch abgeriegelt werden konnte, verlegte die Division Ende Oktober 1943 per Bahn von Gorodok über Jurzewo, Ostrowy nach Tschaussy zum Pronja-Fluß, um eine dort entstandene HKL-Lücke südlich von Newel zu besetzen. Es gelang, die HKL zu stabilisieren und den Feind auf Usha zurück zu drängen. Anfang November 1943 wurde die Division dann zur zur Schließung der "Lobok-Enge" zwischen dem Ordowo-See und dem Jeserischtsche-See südlich von Newel eingesetzt. Hier waren drei russische Armeen zwischen der Heeresgruppe nord und Mitte durchgebrochen. Der am 8. November begonnenen Angriff der deutschen Truppen konnte die russischen Stellungen zwar durchbrechen, die Vereinigung zwischen den Heeresgruppen Nord und Mitte konnte jedoch nicht hergestellt werden. Am 17. November begann der russische Gegenangriff zur Erweiterung der Frontlücke und der Abwehreinsatz der 20. Panzer-Division beiderseits von Gorodok westlich der Rollbahn Witebsk - Newel. Am 22. November 1943 gelang der Division dabei die Vernichtung des russischen Brückenkopfes nördlich des Losswida-Sees. Nach dem Abflauen der Kämpfe in diesem Abschnitt durch die einsetzende Schlamm-Periode sollte die Division Anfang Dezember aus der Front herausgelöst und anschließend aufgefrischt werden. Bei erneutem Frosteinbruch am 9. Dezember nahmen die Russen ihre Vorbereitungen für eine Großoffensive wieder auf. Für den 13. Dezember war eine große Zangenbewegung geplant, gerichtet gegen die Frontabschnitte der 129. Infanterie-Division im Norden und der 20. Panzer-Division im Südosten. So begann die Erste Abwehrschlacht um Witebsk. Die 129. Infanterie-Division wurde bis hinter die Rollbahn zurückgeworfen, während es der 20. Panzer-Division gelang, einen tiefen Einbruch von fast 3 km abzuriegeln. Im Abschnitt der Kampfgruppe Michael, wo die Offensive begonnen hatte, rückten die Sowjets zwischen dem Berenow-See und dem Tschernowo-See in nordöstlicher Richtung bis Nowiki, Rodtschicha, Jakuschenki und Samori vor, gefolgt von einem Vorstoß auf Klimaschowo. Trotz des Eingreifens der l. / Pz.Rgt. 112, der Panzer-Aufklärungs-Abteilung 20 und des Panzer-Pionier-Bataillons 92 sowie des Panzerzuges 61 gelang es den Deutschen nicht, die sowjetischen Angriffsspitzen endgültig anzuhalten. Dank der Panzer-Abteilung 21 und der 3. Kompanie der StuG.Abt. 28 konnten sie aber wenigstens einzelne Punkte einnehmen. Diese furchtbaren Kämpfe zogen sich bis zum 15. Dezember 1943 hin. An diesem Tage erreichten die Sowjets die Rollbahn bei Malaschenki. Die l. /  Panzergrenadier-Regiment 59 und einige Panzer versuchten die Rückeroberung, doch noch am gleichen Tage wurde die Rollbahn erneut von den Russen blockiert, wobei die deutsche 87. Infanterie-Division abgeschnitten wurde. Die 87. Infanterie-Division konnte zwar noch den sowjetischen Ansturm brechen, verlor dabei aber ihr gesamtes schweres Gerät sowie 1.600 Mann an Gefallenen, Verwundeten und Gefangenen, dazu 212 Hiwi's. Die 20. Panzer-Division konnte nicht viel ausrichten: Ihre Kompanien bestanden nur noch aus je 20 bis 30 Mann! Am 17. Dezember 1943 erreichten 5.000 Überleben der 87. Infanterie-Division von Norden kommend die deutschen Linien. Die 20. Panzer-Division schlug alle sowjetischen Angriffe zurück, bis sie am 21. Dezember von der 197. Infanterie-Division abgelöst wurde. Sie hatte nur wenig Zeit, sich zu reorganisieren. Inzwischen drohte die deutsche Front vollständig zusammenzubrechen. Schließlich war es die 20. Panzer-Division, die mit einigen Teileinheiten, den Resten des Pz.Rgt. 112, dem Rgt.Stab 112, der l. / Pz.Gr.Rgt. 59, der Panzeraufklärungs-Abteilung 20 (Pz.Jäger-Abt. 92), einer Panzerkompanie und der III. / Pz.Art.Rgt. 92 - die Lage rettete. Eine infanteristische Unterstützungskomponente von 250 Mann unter dem Befehl der 252. Inf.Div. konnte an der Front so etwas wie Ordnung wiederherstellen. Ein an derer Teil der 20. Pz.Div., mit dem Pz.Art.Rgt. 92 wurde der 5. Jäger-Division unterstellt. Da sich inzwischen auf den Seen eine stärkere Eisdecke bildete, konnten die Sowjets nun problemlos mit ihren Panzern darüber fahren. Diese neue Lage machte dringende Verstärkungen erforderlich die Seen, bisher ein natürliches Hindernis, wurden jetzt ganz im Gegenteil zum idealen Angriffsterrain. Dies geschah im Abschnitt der 3. und 4. Panzerkompanie des Panzer-Regiments 21. Dieses konnte den russischen Vorstoß abweisen. Zwar setzten diese ihre Angriffe fort, doch der Angriffsschwung war dahin. Auf deutscher Seite trafen inzwischen Verstärkungen ein: Die 12., 131. und 299. Infanterie-Division sowie die Panzergrenadier-Division „Feldherrnhalle". Die Sowjets wiederum verstärkten ihre Angriffsverbände mit 56 Divisionen und 5 Infanteriebrigaden, 3 Kavalleriedivisionen und 22 Panzerbrigaden. Die Deutschen zogen im gleichen Zeitraum 10 Infanteriedivisionen, eine Jäger-Division, eine Panzergrenadier-Division und zwei sehr schwache Panzer-Divisionen zusammen. Darüber hinaus verfügten sie noch über kleine Panzerverbände wie die schwere Panzer-Abteilungen 505 und 501 (mit zusammen 58 Tiger-Panzern), mehrere StuG-Abteilungen und die schwere Panzerjäger-Abteilung 519.
Nach Beendigung der Ersten Abwehrschlacht um Witebsk befand sich die Front am 18. Januar 1944 in einem weiten Bogen um die Stadt. Der nördliche Abschnitt wurde vom LIII. Armeekorps, der südliche vom VI. Armeekorps gehalten. Die 20. Panzer-Division stand nordwestlich der Stadt. Am 3. Februar begann die Zweite Abwehrschlacht um Witebsk. Die 20. Panzer-Division wurde nördlich von Bondarewo von dem russischen Angriff getroffen. Bis zum 12. Februar ging die Division kämpfend auf Staroje-Sselo zurück. Am 17. Februar endete die zweite Abwehrschlacht um Witebsk. Im Anschluß wurde die Division von der 95. Infanterie-Division abgelöst und verlegte anschließend mit der Bahn an den Drut. Hier wurde sie zum Schutz der Nahtstelle zwischen der 9. Armee und der 4. Armee eingesetzt. Hier kam es zu schweren Abwehrkämpfen. Anfang Mai 1944 wurde die Division wieder aus der Front herausgezogen und in den Raum 50 km südöstlich Lublin in Polen verlegt, um hier gründlich aufgefrischt zu werden. Kurz vor Beginn der russischen Sommeroffensive am 22. Juni 1944 endete die Auffrischung der Division. Ab dem 20. Juni 1944 wurde die Division per Eisenbahn nach Bobruisk verlegt. Nach Beginn der russischen Sommeroffensive wurde die Division in der Nahtstelle zwischen der 9. Armee und der 4. Armee eingesetzt, um einen drohenden russischen Durchbruch auf die Rollbahn Mogilew - Bobruisk aufzufangen. Nach diesem Einsatz bei Tscherebomirka wurde die Division nach Anfangserfolgen aus dem Einsatz gezogen und in den Raum Paritschi und Bobruisk verlegt. Während der Kämpfe um Bobruisk wurde die Division im Kessel von Bobruisk eingeschlossen Außerhalb des sowjetischen Einschließungringes waren keine deutschen Einheiten in der Nähe, die die Umklammerung hätten aufheben können. Der Kessel wurde am Tag darauf in zwei Teile gespalten, die jeweils am westlichen und östlichen Ufer der Beresina lagen. Die deutschen Soldaten im kleineren Kessel am Ostufer ergaben sich am 28. Juni. Der Kommandeur des deutschen XXXV. Armee-Korps, Generalleutnant von Lützow autorisierte daraufhin selbstständige Ausbruchsversuche aus dem Kessel am westlichen Ufer. Mit den verbliebenen Panzern der 20. Panzerdivision an der Spitze durchbrachen etwa 15.000 bis 30.000 deutsche Soldaten den sowjetischen Einschließungsring. Sie kämpften sich zunächst in nördlicher Richtung entlang der Beresina an dem gerade von der Roten Armee besetzten Osipowitschy vorbei und später nach Nordwesten auf die aus Richtung Marina Gorka entgegenkommende 12. Panzer-Division zu, die zu den ersten Verstärkungen gehörte, die bei der Heeresgruppe Mitte nach dem Beginn der sowjetischen Offensive eintrafen. Der größere Teil der deutschen Soldaten konnte nicht aus dem Kessel vom Bobruisk fliehen. Die Kämpfe im Ausbruchskorridor führten zu hohen Verlusten. Im Anschluß wurde die Division zur Auffrischung in den Raum Husi westlich des Pruth in Rumänien verlegt. Nach dem Beginn der russischen Sommeroffensive am 19. August 1944 gegen Rumänien mußte sich die Division, die auf Grund ihres Personal- und Waffenbestandes nicht einsatzfähig war, über den Sereth bis zum 1. September 1944 in den Raum südwestlich von Desh und nördlich von Klausenburg zurückziehen. Hier wurden die Reste der Division auf die Bahn verladen und auf den Truppenübungsplatz Arys zur Neuaufstellung gebracht.
Nachdem einzelne Teile der Division noch während der Neuaufstellung in Ostpreußen bereits an der Front eingesetzt wurden, verlegte die voll aufgefrischte und neu ausgerüstete Division ab dem 5. Januar 1945 zu einem neuen Einsatz nach Ungarn. In Neuhäusel in Nordungarn wurde die Division entladen und sofort in die Kämpfe um den Gran-Brückenkopf geworfen. Am 19. Januar 1945 scheiterte jedoch ein letzter deutscher Angriff auf Uiszla, womit das Ziel, den Gran-Brückenkopf einzudrücken, aufgegeben werden mußte. Mittlerweile ergaben sich für die deutsche Führung neue Abwehrschwerpunkte, nachdem russische Verbände aus den Weichsel-Brückenköpfen bei Pulway und Baranow in Richtung Schlesien vorstießen. Die Division wurde daher beschleunigt aus der Front gezogen, nach Neuhäusel verlegt und per Bahn nach Sossnowitz transportiert. Nach ihrem Entladen sicherte die Division diesen Ort. Teile der Division, besonders das Panzer-Artillerie-Regiment 92, wurden bei anderen Truppenteilen zur Verstärkung eingesetzt, während der Großteil der Division bei Preiswitz auf russische Einheiten traf. Nach schweren Kämpfen zog sich die Division am 31. Januar 1945 bei Ratibor über die Oder zurück und wurde im Anschluß daran zur Verteidigung der Oder nördlich von Ratibor eingesetzt. In der Zeit vom 1. bis zum 16. Februar 1945 kam es zu Kämpfen um Bergkirch, Rudnik und Ratibor. Anschließend wurde die Division zum Entsatz der Festung Breslaus eingesetzt und kämpfte bei Ramkau, Rogau-Rosenau, Steinfelde und um den Ort Zobten. Es gelang, Breslau für zwei Tage zu entsetzen. Vom 23. Februar bis zum 14. März 1945 entwickelten sich Abwehrkämpfe vor allem um die Dörfer Wolfskirch und Rogau-Rosenau. In der Zeit vom 15. März bis 21. März kämpften große Teile der Division zum dritten Mal im Raum Neiße. Anschließend rückte die Division in den Raum Görlitz ab und traf am 22. März in Landskrone südlich von Görlitz ein. Am 23. April stand die Division im Kampf um Bautzen und zog sich dann nach Ottendorf-Okrilla nordöstlich von Dresden zurück. Zum Schutz der Landeshauptstadt wurde hier von Pulsnitz nach Königsbrück und weiter nach Kleinnaundorf eine neue HKL aufgebaut. Bis zum 3. Mai 1945 zogen sich die Divisions-Reste kämpfend auf Dresden zurück. Reste der Division versuchten anschließend, sich nach Südwesten und Westen zu den amerikanischen Linien durchzuschlagen. Damit endete die Geschichte der Division.