1940年、フランス侵攻が始まると第4装甲師団はエーリヒ・ヘプナー将軍率いる第16装甲軍団の一部としてこれに参加した。同装甲軍団はフォン・ライヒェナウ将軍率いる第6軍に所属しており、エヴァルト・フォン・クライスト将軍率いるクライスト装甲集団を構成する部隊の1つでもあった。リエージュおよびシャルルロワを突破した後、部隊は敗走した英海外派遣軍が集結し撤退を図っているダンケルクへと迫った（ダンケルクの戦い）。しかし、総統アドルフ・ヒトラーによる進軍停止命令により、ダンケルクへの突入および占領は行われなかった。同年6月中に第4装甲師団はフランスの縦断を達成。独仏休戦協定が締結された段階で、第4装甲師団はグルノーブルに到達していた。その後はフランスにおける占領任務に従事し、11月末にはヴュルツブルクに移って再編成を受けた。この際、第4装甲師団隷下の2個戦車連隊のうち第36戦車連隊が新編されるの基幹となるため第4装甲師団の指揮下を離れる事となった。