A finales de 1943, Heinz Guderian le dio el mando de la "130.ª Panzer-Lehr-Division". Dicha unidad se desplazó a Budapest en marzo de 1944. Tras producirse el desembarco en Normandía, las tropas de Bayerlein fueron trasladadas urgentemente a Francia para combatir en la zona de Caen. Sufrieron severas pérdidas con motivo de los ataques aéreos en los alrededores de Saint-Lô durante la Operación Cobra.