Kurz danach auf Wunsch seines Mentors, Generaloberst Heinz Guderian, mit der Neuaufstellung der einzigen voll gepanzerten Division des Heeres, der sog. „Panzer-Lehrdivision“ beauftragt, wurde er am 4. Februar 1944 zu deren Kommandeur ernannt und am 1. Mai 1944 zum Generalleutnant befördert. Nach einem ersten Einsatz während der Besetzung Ungarns im März 1944 wurde die Panzer-Lehrdivision nach Frankreich verlegt und weiter ausgebildet. Nachdem am 6. Juni 1944 die Invasion der Alliierten in der Normandie begonnen hatte, führte Bayerlein seine Division in den Kämpfen um Tilly, St. Ló und Avranches, wofür er am 20. Juli 1944 das Eichenlaub mit Schwertern zum Ritterkreuz erhielt.