Op 25 oktober 1943 nam Bayerlein het commando van de 3e Pantserdivisie ("3. Panzer-Division") over, met wie hij voor het eerst in het midden van Dnjepr en vervolgens in de regio van Kirovograd vocht. Met zijn ervaringen uit Afrikaanse Veldtocht, probeerde Bayerlein zo'n beweeglijke oorlogsvoering in het Oosten te voeren. Zo kon hij met zijn divisie tegen een "„Führerbefehl“" in, de omsingeling van Kirowograd succesvolle uitbreken en weer een front opbouwen. Kort hierna, op verzoek van zijn oude mentor, "Generaloberst" Guderian, werd hij belast met het opzetten van een nieuwe volledig gepantserde divisie van de Heer, de zogenaamde "Panzer-Lehr-Division". Op 4 februari 1944 werd hij tot commandant benoemd, en op 1 mei 1944 bevorderd tot "Generalleutnant". Na een eerste inzet tijdens de bezetting van Hongarije in maart 1944 werd de "Panzer-Lehr-Division" verplaatst naar Frankrijk en werd daar verder gevormd. Nadat op 6 juni 1944 de invasie van Normandië begonnen was, voerde Bayerlein zijn divisie in gevechten rond Tilly, Saint-Lô en Avranches aan. Hij werd hiervoor op 20 juli 1944 met Zwaarden bij zijn Ridderkruis van het IJzeren Kruis onderscheiden.