クルスク攻撃が中止となった後、師団に第51戦車大隊（パンター）がGD戦車連隊に配属、中央軍集団に送られてカラチョフ周辺で激戦を繰り広げた。8月3日、ソ連軍はルミヤンツェフ作戦を開始、師団は南方軍集団に戻された。GD戦車連隊第3大隊として編成されたティーガー大隊が合流し、アフトゥイルカで防御戦闘を行う。9月15日、ドニエプル川への撤退命令が出され、グロースドイッチュラントは後衛を任命された。GD戦車連隊第1大隊はパンターで刷新するためフランスのブールジュへ列車輸送された。彼らは44年11月まで師団に復帰することはなかった。師団は遅滞行動を展開し、クレメンチュークでドニエプル川を渡った。10月以降、ミチューリン・ログ近郊、クリヴォイ・ログ東部と強力な敵部隊と戦いながら年を終えた。この期間、師団は“火消し部隊”（"die Feuerwehr"）と呼ばれた。
新しく再装備された師団はヘルマン・ホトの第4装甲軍に配属され、SS装甲軍団とともにクルスクの敵突出部を分断するチタデレ作戦の主力をつとめた。作戦期間中、新型のパンターD型戦車で編制されたフォン・ラオハート戦車連隊がグロースドイッチュラントの作戦統制下に置かれた。作戦開始後、師団はクルスク突出部の南側面から突入、激戦となった。新型のパンター戦車は戦闘に入る前に多くの車両がエンジンの発火や停止など技術的な問題に悩まされた。師団は1943年7月18日にトマロフカ(Tomarovka)に撤退するまで戦った。
1943年6月、装甲兵員輸送車およびティーガー戦車の配備を受けて、師団は装甲擲弾兵師団グロースドイッチュラントとなった。この時、完全装備の装甲師団より多くの装甲車両が配備されていた。
ルジェフ戦後、1943年1月23日までにハリコフ地区に送られた。グロースドイッチュラントと第48装甲軍団は、第2SS装甲軍団のSS装甲擲弾兵師団LSSAH、SS装甲擲弾兵師団ダス・ライヒ、SS装甲擲弾兵師団トーテンコプフとともに第三次ハリコフ攻防戦に参加した。この間に戦車連隊が編成され、戦闘に投入された。この時、ティーガーI戦車1個中隊が配備されている。通常、装甲師団がティーガー戦車を持つことはなく、また武装SS師団以外で唯一ティーガー戦車が配備された師団だった（通常ティーガー戦車は独立重戦車大隊に配備される）。ハリコフ戦終了後、師団は補充のために後方へ下がった。
オリョール近郊で補充と再装備を受けた連隊は再編成と増強をうけ、自動車化歩兵師団グロースドイッチュラント（Infanterie-Division Großdeutschland）となった。既存の連隊はグロースドイッチュラント第1歩兵連隊となり、新たにグロースドイッチュラント第2歩兵連隊、オートバイ狙撃兵大隊GDが加わった。その他、第100戦車連隊第1大隊を基幹として戦車大隊GD、第192突撃砲大隊を基幹として突撃砲大隊GD、第643戦車駆逐大隊を基幹として戦車駆逐大隊GD、第622砲兵連隊本部・第400砲兵大隊・第109砲兵連隊第1大隊・第646砲兵大隊から砲兵連隊GDが編成され、第285陸軍対空砲大隊が対空砲大隊GD、第43突撃工兵大隊が工兵大隊GDとして、それぞれ師団に編入された。再編成後、師団は「青の場合（Fall Blau）作戦」において第48装甲軍団所属となり、スターリングラード攻防戦に投入された。師団はドン川渡河およびヴォロネジ占領の役目を担った。8月、師団はドネツ川北岸に後退し、機動予備および反撃部隊として置かれた。赤軍の「マーズ作戦」（ソ連軍のルジェフ（Rzhev）突出部攻撃作戦）により、師団はルジェフ近郊で激しい雪中戦を繰り広げた。
1945年4月後半、ドイツから輸入された「暗視ホルモン」を投与するとの説明が黒鳥・倉本ペアに対して軍医長から行われた。なお、投与時に副作用に関する説明は行われなかった。ペアは夜間出撃の際に暗視ホルモンの注射をうけ、この投与は複数回に及んだ。5月25日も注射をうけて出撃している。しかしながらこの暗視ホルモンと説明された物質は、中枢神経を興奮させる塩酸メタンフェタミンであり、商品名ヒロポンとして知られる覚醒剤であった。投与の頻度は頻繁ではなく、夜間空襲の可能性があるときに行われた。6月以降にはアメリカ軍爆撃機が東京に夜間空襲を行う必要性を失ったため、黒鳥・倉本ペアに対する暗視ホルモンの投与の機会もなくなった。ヒロポンは当時は「除倦覚醒剤」として流通しており、一般的に、また医務科の兵曹クラスでも有害性は認識されていなかった。軍医官レベルにおいても毒性・副作用などのデータが充分周知されていたかには疑問が付され、また投与物質が覚醒剤であるとの内容を知らないことがあった。投与に際しては、技量と戦果を考慮し、実績の少ない黒鳥・倉本ペアが選ばれたと推測される。他の搭乗員に複数回の投与は行われなかった。横須賀航空隊は技術的な実験を行う部隊であり、薬剤も任務として同様に試験された。薬剤とその副作用による人体への被害よりも、投与によるプラス面のみを重視した判断であった。夜間の視認性に関し、飛行場がどの程度確認できるかを軍医官が質問し、黒鳥少尉はさして変わるところはないと答えている。戦後の取材に際し、黒鳥は覚醒剤の投与効果につき、眠気がなくなり、冷静な判断力とひらめきを得たこと、恐怖心の抑制を挙げた。しかしながら夜間の視認性は向上せず、全体的にさほど影響はなかったと述べた。黒鳥への覚醒剤投与による異常感覚の発現は、戦後すぐの1946年（昭和21年）初夏から始まり、異常感覚がほぼ消失するには昭和60年ごろと非常な長期間を要した。具体的には尖ったものや手や鼻が自分の目に飛びこむ感覚、微熱と目眩、食欲の減退である。