С июня 1941 года 36-я моторизованная дивизия принимает участие в операции «Барбаросса» на Востоке. Изначально находясь в районе Тильзита (Восточная Пруссия) в составе 41-го моторизованного корпуса 4-й танковой группы группы армий «Север», дивизия наносила удар на Расейняй. В сентябре 1941 года 36-я дивизия вместе со всем корпусом передана в подчинение 3-й танковой группы группе армий «Центр», и с 2 октября 1941 года приняла участие в битве за Москву, наступая на город Белый. В первой половине октября участвовала в окружении и уничтожении крупной советской группировки в районе Вязьмы. В октябре 1941 года дивизия участвует во взятии Калинина. Будучи отброшенной в ходе советского контрнаступления, закрепляется на Ржевском выступе, где и пребывает до марта 1943 года, отражая многочисленные удары РККА на этом плацдарме. С августа 1942 принадлежит 46-му танковому корпусу 9-й армии.