Bayerlein blev sendt til Østfronten i oktober 1943 for at lede 3. Panzer division. Han blev senere tildelt kommandoen over Panzer Lehr divisionen. Den blev sendt til Budapest i Ungarn for at træne i marts 1944. Efter invasionen i Normandiet i juni 1944 blev Bayerleins tropper sendt til Frankrig for at kæmpe i Normandiet, hvor de led store tab som følge af tæppebombning omkring St. Lo under Operation Cobra). Senere gjorde han tjeneste under General Hasso von Manteuffel i Ardenneroffensiven.