Anfang September 1939 wurde aus der Panzer-Brigade 4 in Ostpreußen der Stab der Panzer-Division Kempf, welche nur für den Überfall auf Polen vorgesehen war, gebildet. Mitte Oktober 1939 wurde die Panzer-Division Kempf daher bereits wieder aufgelöst und der Stab wieder als Panzer-Brigade 4 bezeichnet. Die Unterstellung der Panzer-Brigade 4 erfolgte unter die 10. Panzer-Division. Die Panzer-Brigade 4 wurde 1940 im Westfeldzug eingesetzt. Ab 1941 stand die Panzer-Brigade 4 an der Ostfront und kämpfte bei der Schlacht um Moskau zunächst in der Kesselschlacht bei Białystok und Minsk In der anschließenden Kesselschlacht bei Smolensk stieß die Brigade am weitesten nach Osten. Ein weiteres offensives Vorgehen war aber durch weiträumig angelegte Panzergräben nicht möglich. Die Brigade konnte jedoch Jelnja erobern und es gelang ihr die Brücken über die Desna unbeschädigt zu nehmen und zu halten. Im Winter 1941/42 wurde die Panzer-Brigade 4 aufgelöst.