1941年6月22日，德國啟動攻擊蘇聯的“巴巴羅薩”計劃，蘇德戰爭正式爆發。第七裝甲師配屬於德軍第3裝甲集團軍的第39裝甲軍，第3裝甲集團軍的主要任務是與第二裝甲集團軍配合，用德軍裝甲部隊最擅長的鉗形攻勢，圍殲蘇軍在前線的主力部隊。6月23日，第七裝甲師在強渡聶曼河時，與蘇軍第5坦克師遭遇。經過一番激戰過，德軍第七裝甲師以損失近一半坦克的代價，全殲了蘇軍第5坦克師。
由於戰事緊張，德軍第七裝甲師無法得到休整和補充，就繼續向前進攻。6月28日，德軍第七裝甲師與友軍配合，合圍了蘇軍西方面軍的主力，俘虜了近30萬蘇軍。7月15日，第七裝甲師抵達斯摩稜斯克—莫斯科公路，切斷了蘇軍的後方補給線。不過，由於德軍的步兵及炮兵部隊仍在150公里之外，大批蘇軍趁機從包圍圈的缺口逃了出去。
8月份，坦克損失嚴重的第七裝甲師，待在原地休整。10月份，他們跟隨兵力超過180萬能的德國中央集團軍群，參加了圍攻莫斯科的颱風行動，第七裝甲師則充當德軍中央集團軍群的進攻矛頭。10月6日，德軍第七裝甲師與第十裝甲師配合，在維加斯馬地區，合圍了蘇軍的四個集團軍。在友軍部隊的配合下，全殲了蘇軍的四個集團軍。
朱可夫出任莫斯科戰役最高指揮官後，立即著手展開防禦作戰。他從各地調集一批有實戰經驗的指揮官及作戰部隊，並在莫斯科外圍實施層層阻擊。而天氣的變化，莫斯科周邊的道路變得異常泥濘，德軍的裝甲部隊和機械化兵團難以發揮優勢。進入冬季後，德軍的進攻已經被蘇軍擋住，難以繼續前進。雖然德軍第七裝甲師的進攻態勢非常強悍，但卻無力迴天。
1941年12月5日，蘇軍發起全面反擊。在嚴寒和與蘇軍激戰過後，第七裝甲師的兵員及裝甲都遭到嚴重損失。該師的主力部隊第25裝甲團只剩下4輛38（T）坦克和一輛四號坦克。1942年3月中旬，德軍第七裝甲師來到法國休整，這次休整一直持續到當年的12月份。在此期間，德軍第七裝甲師把老舊的38T坦克淘汰，並補充更新了大批三號和四號坦克。
1942年12月，德軍在斯大林格勒戰役中再次受到挫敗。為了挽回頹勢，德軍第七裝甲師第二次加入蘇德戰場，去支援曼施坦因的頓河集團軍群。在隨後的戰鬥中，德軍第七裝甲師多次以一個裝甲師的兵力擋住了蘇軍的進攻。1943年下半年，第七裝甲師在與蘇軍的多次戰鬥中遭到重創。1944年初，卡爾·毛斯接手第7裝甲師的指揮權，成為該師最後一任師長。
此時，第三帝國已經是日落西山，第七裝甲師在毛斯的指揮下，不斷投入進攻、轉移或投入下一場進攻。之後的幾個月，第七裝甲師先後參加了切爾卡瑟口袋戰役、胡貝口袋戰役和梅梅爾戰役，雖然表現仍然非常出色，但損失也非常慘重。1944年4月底，兵力和裝備都損失慘重的德軍第七裝甲師被迫撤至後方休整，歸匈牙利第7集團軍指揮。
1944年6月22日，蘇軍發動“巴格拉季昂”行動，德國中央集團軍群的24個師在二週內就損失殆盡。第七裝甲師接到命令，緊急增援德軍第四集團軍，但為時已晚，第七裝甲師尚未抵達，德軍第四集團軍已經在明斯克以東被蘇軍全殲。之後，第七裝甲師又參加了斯闊倫、科穆勒地區的戰鬥，兵力和裝備都遭到嚴重損失。10月5日，當蘇軍發起進攻時，曾經是德軍最精銳的第七裝甲師，再也無力抵擋蘇軍的進攻了。
經過半個月的激戰之後，德軍第七裝甲師僅剩下不到一個團的兵力，被迫撤往東普魯士休整。1945年初，裝備的老兵損失嚴重的德軍第七裝甲師，戰鬥力已嚴重削弱，只能作為德軍第2集團軍預備隊，駐紮在琴查諾夫。由於蘇軍佔據優勢，德軍的第七裝甲師和整個第二集團軍，都被蘇軍壓制在旦澤，難以動彈。1945年4月初，第七裝甲師丟掉剩餘的坦克，調往西線參戰。
1945年5月3日，毛斯率領只剩下二千人的德軍第七裝甲師，打光了所有的彈藥後，向美軍投降。
