Nel giugno 1944 venne quasi distrutta durante l'operazione Bagration, combattendo nella regione di Babrujsk, e quindi dovette essere ritirata del fronte e inviata, per riorganizzazione, nel settore meridionale (Heeresgruppe Südukraine). Coinvolta nella nuova offensiva sovietica in Romania, venne richiamata prima in Prussia orientale, poi in Ungheria e infine, nella primavera del 1945, in Germania orientale per partecipare alla difesa finale del Reich. Proprio la 20. Panzer-Division avrebbe sferrato l'ultimo e inutile contrattacco dei panzer tedeschi durante la guerra, ottenendo un piccolo successo a Bautzen, il 21 aprile 1945[4].
La 20. Panzer-Division, elemento di punta del Panzergruppe 3 dell'esperto generale Hermann Hoth, si distinse particolarmente nelle prime battaglie della nuova e gigantesca campagna. Dopo aver partecipato alla battaglia di Alytus contro le riserve corazzate nemiche, il 28 giugno entrò per prima a Minsk, chiudendo una grande sacca di accerchiamento intorno alle confuse forze sovietiche; il 10 luglio, furono sempre i reparti corazzati della 20. Panzer-Division che conquistarono Vicebsk, guadagnando un'importante testa di ponte sulla Dvina; mentre durante l'aspra battaglia di Smolensk l'unità corazzata aggirò da nord le difese sovietiche conquistando di sorpresa Jarcevo chiudendo una nuova sacca di accerchiamento[6].
Durante la sosta di agosto a Smolensk, la divisione venne trasferita al LVII. Panzerkorps con il quale stazionò anche a Cholm ai primi di settembre. Dalla metà del mese ci furono alcuni cambi di comando che sfociarono nel trasferimento della 20. Panzer-Division a Vjaz'ma con il Panzergruppe 4 pronta per la battaglia di Mosca[2].
Da Mosca a Kursk
In ottobre la divisione sferrò l'attacco contro la capitale sovietica sotto la 4ª armata passando verso la metà di dicembre alla 9ª armata. Il nuovo anno, il 1942, la vide impegnata a Gshatsk fino a luglio, data in cui passò alla difesa di Orël con la 2ª armata corazzata combattendo fino a novembre prima di essere posta nella riserva dell'OKH tra Bjeloje e Toropez (con gli ultimi 4 Panzer II, 14 Panzer III, 16 Panzer IV e 6 carri comando disarmati[7]). A dicembre era di nuovo in prima linea.
Il 1943 fu speso nuovamente nella difesa della zona di Orël principalmente con la 2. Panzerarmee; ci furono alcuni cambi di organico (il comando e un battaglione del 112º reggimento di fanteria motorizzata vennero sostituiti dall'890º reggimento di fanteria motorizzata, mentre due battaglioni del 21º reggimento corazzato e il battaglione da ricognizione vennero sciolti) prima dell'avvio della battaglia di Kursk, alla quale l'unità partecipò assieme al XXXXVIII corpo corazzato della 9ª armata prima e con il XXXXI corpo corazzato poi. Sconfitta come il resto della Wehrmacht, la 20. Panzer-Division cambiò varie volte unità di appartenenza per poi dirigersi, a partire dall'inizio di ottobre, a Mahilëŭ e Vicebsk, località in cui si trovava ancora nel febbraio 1944[2].
Il disastro a Babrujsk e la ritirata fino alla Germania
A marzo gli uomini della divisione erano schierati a Babrujsk dove nella metà di maggio si verificarono duri scontri con l'Armata Rossa e con pesanti perdite, tanto che la formazione corazzata rimase con soli 49 Panzer IV[7]. A causa di queste perdite, la divisione fu ritirata dalla prima linea per un periodo di riposo e riorganizzazione trascorso a Lublino, tornando al fronte un mese più tardi.
Sempre alle dipendenze dell'Heeresgruppe Mitte, di cui la 20. Panzer-Division (fornita ora di 71 Panzer IV e composta di equipaggi e soldati esperti[8]) era l'unica riserva corazzata efficiente nell'estate 1944, venne coinvolta dal 24 giugno nella drammatica battaglia di Babrujsk (durante l'operazione Bagration). La 20. Panzer-Division, messa a disposizione della 9ª armata, tentò coraggiosamente di contrattaccare a più riprese, ma in netta inferiorità numerica e dirottata per il campo di battaglia da direttive sbagliate del comando superiore, subì pesanti perdite contro i vari corpi corazzati sovietici in avanzata (9º Corpo corazzato e 1º Corpo corazzato della Guardia) e venne infine accerchiata nella sacca intorno alla città bielorussa insieme alle divisioni di fanteria numero 6, 45, 134, 296 e 383[9]. Le perdite per la 20. Panzer-Division durante questa battaglia, a giugno e a luglio, furono così elevate che venne data praticamente per distrutta.
I pochi resti della divisione, sfuggiti dalla sacca di Babrujsk e in combattimento come modesto kampfgruppe attorno a Białystok, vennero assegnati, nella metà di agosto, alla riserva dell'8ª armata sul fronte rumeno.
Ormai in seno all'Heeresgruppe Südukraine l'unità rimase coinvolta nella defezione della Romania dalle potenze dell'Asse e così fu costretta a ritirarsi divisa in due gruppi verso l'Ungheria e i Carpazi continuamente attaccata dalle forze sovietiche che però non riuscirono ad impedirne l'arrivo in Prussia Orientale alla fine di ottobre (dove venne nuovamente inserita nell'Heeresgruppe Mitte). All'inizio del 1945 ci fu un nuovo trasferimento in Ungheria dove si batté inquadrata nei ranghi della 6ª e della 17ª armata, prima di ripiegare nuovamente alla fine di febbraio in Slesia.
Equipaggiata a marzo con solo sei cannoni d'assalto, 19 Panzer IV, 2 cannoni antiaerei semoventi e 2 Panther[7], la 20. Panzer-Division partecipò alla battaglia di Berlino inserita nella 4. Panzerarmee (Heeresgruppe Mitte), schierata in Sassonia. La divisione corazzata combatté con valore, guidata dal capace generale Oppeln-Bronikowski, e sferrò anche un ultimo contrattacco contro le potenti forze del 1° Fronte ucraino del marescialloIvan Stepanovič Konev, riconquistando Bautzen il 21 aprile, prima di essere costretta a ripiegare e ad arrendersi l'8 maggio 1945 alle truppe dell'Armata Rossa a Görlitz[2].
Due membri della divisione, Paul Buck e Günther Schütze, furono premiati con la spilla per il combattimento corpo a corpo in oro; altri 108 soldati ricevettero la Croce Tedesca in oro e 6 quella d'argento; 19 furono premiati con la spilla d'onore dell'esercito e 35 si meritarono la Croce di Cavaliere della Croce di Ferro, delle quali tre con Fronde di Quercia e una con Fronde di Quercia e Spade[5].