Nach der Verbands- und Gefechtsausbildung auf den Truppenübungsplätzen in Mailly-le-Camp und Coëtquidan in Frankreich wurde die gesamte 24. PD, nunmehr unter dem Befehl von Generalmajor Bruno Ritter von Hauenschild, im Mai 1942 verladen und im Bahntransport an die Ostfront gebracht. Unter dem Kommando des XXXXVIII. Panzerkorps der 4. Panzerarmee (Heeresgruppe Süd) begann am 28. Juni 1942 die deutsche Sommeroffensive. Die Panzer stießen in Richtung Woronesch/Don vor und konnten die Stadt im Zusammenwirken mit der Division Großdeutschland am 8. Juli 1942 teilweise einnehmen. Danach erfolgte ein Vorstoß in den großen Donbogen in Richtung Kalatsch. Immer wieder durch Nachschubprobleme aufgrund der überdehnten Transportwege zum Anhalten gezwungen, erreichte die Division Anfang August den Don und beteiligte sich an der Kesselschlacht bei Kalatsch. Nachdem der Fluss am 12. August überquert worden war, ging es im Verband des XXIV. Panzerkorps in Richtung Stalingrad.
Die 24. PD unterstand während der Schlacht um Stalingrad der 4. Panzerarmee unter Generaloberst Hermann Hoth und dem XXXXVIII. Panzerkorps unter General der Panzertruppe Werner Kempf. Am 4. September erreichte die Division nach schweren Kämpfen die Vororte Stalingrads und besaß zu diesem Zeitpunkt nur noch 34 einsatzfähige Panzer. Nach dem Durchbrechen des sowjetischen Verteidigungsgürtels erreichte die Division am 10. September den Vorort Minnina, wobei nur noch die Hälfte der Soll-Stärke an Soldaten sowie lediglich zehn Panzer einsatzbereit waren.[1]

Panzer-Kompanien der 24. PD waren an allen wichtigen Schauplätzen der Schlacht im Einsatz: vom Kampf in den Vororten über die Südstadt, Mamajew-Hügel, Traktorenwerk „Dserschinski“ und Geschützfabrik „Barrikaden“ mit den Arbeitersiedlungen („Schnellhefter-Blöcke“), Stahlwerk „Roter Oktober“ bis zur Operation Hubertus. Somit war auch diese Division an den schweren Häuserkämpfen in Stalingrad beteiligt, obwohl eine Panzer-Division grundsätzlich nicht für derartige Kämpfe taktisch ausgerüstet und ausgebildet ist.