大日本帝国陸軍では、1934年（昭和9年）3月に編成された小型機甲師団ともいうべき独立混成第1旅団（2個戦車大隊基幹の諸兵科連合部隊）が、戦前では唯一のものであった。独立混成第1旅団も、参加したチャハル作戦で特長を生かせず、1938年（昭和13年）8月には解隊されてしまった。東條兵団の兵団長である関東軍参謀長東條英機中将と独立混成第1旅団長酒井鎬次中将の戦術思想の違いに一因があったとも言われる。以後は、3個戦車連隊と司令部のみからなる「戦車団」3個を有していた。ノモンハン事件では第1戦車団を中心に歩兵などを臨時に配属した運用が行われたほか、中国大陸の戦線においては「戦車集団」が何度か臨時に編成され機動打撃力として活動したものの、戦車を中心とした戦術思想を否定した東條英機が、その後権力の中枢に就いたこともあり機甲師団が編成されることは無かった。
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だが、ドイツの電撃戦に影響を受け戦車の有用性は認識され、1941年（昭和16年）2月には機甲本部が新設されて機甲部隊に関する教育・編制・技術開発の諸業務の統括調整が図られた。そして1942年（昭和17年）6月24日に戦車第1師団・第2師団・第3師団の編成が下令された。しかしその編制は、既に太平洋戦争が始まっていたにもかかわらず対ソ連戦を念頭においたものであった。しかも、理論上は2個戦車旅団（各2個連隊構成、各連隊は戦車58輛保有）・1個機動歩兵連隊（3個大隊構成）を基幹に機動砲兵連隊・師団速射砲隊・師団捜索隊・師団防空隊・師団工兵隊等から編成されることになっていたが、部隊は編成されたものの肝腎の戦車や自動車・砲は揃わないといった状態がほとんどで、その上一部の戦車連隊が抽出されてしまうなどして、その編制すら満足になることはなかった。
1944年（昭和19年）7月6日には、本土決戦に備えて戦車学校などの教導部隊を改編し、戦車第4師団の編成が下令された。戦車連隊3個を基幹にするものの歩兵を欠き、砲兵も最初から分属させるなど戦車第1・第2・第3師団と較べて全く異なる編制で、独立戦闘力のある機甲師団とは呼びがたいものだった。