Au début de juillet 1940, les équipages de treize chars rescapés de la campagne de Norvège se rallient au général de Gaulle et constituent la 1re compagnie autonome de chars de combat , commandée par le lieutenant Jean Volvey. Rejointe par une poignée de jeunes volontaires venus de France, dotée d'une nouvelle devise ("Toujours prête"), la compagnie quitta l'Angleterre le 31 août à bord du Pennland avec l'armada franco-britannique en route vers Dakar. Pendant ce temps, une 2e compagnie de chars de combat est créée à Camberley, qui sera successivement commandée par les lieutenants Grosnier et Ratard, puis par le capitaine de Witasse ; affectée au Tchad, elle embarque à Liverpool à bord du Northumberland. Une 3e compagnie sera créée le 1er décembre 1941 par le lieutenant Branet sous l'appellation d'"Escadron mixte"*.

Après l'échec de l'opération Menace, la 1re compagnie débarque au Cameroun, puis prend part au ralliement forcé du Gabon (novembre 1940), avant d'embarquer pour le Moyen-Orient ; elle arrivera à Suez le 23 avril 1941 pour rejoindre la 1re DLFL en Palestine. Du 8 juin au 13 juillet, elle prend part à la campagne de Syrie, stationne ensuite à Damas et à Beyrouth, où elle reçoit des renforts et un nouveau matériel. En avril 1942, équipée de chars anglais Crusader, elle forme en Egypte avec les escadrons d'automitrailleuses et les auto-canons de spahis, la 1re Colonne volante des FFL (First Free French Flying Column). Intégrée à la VIIIe armée britannique, elle est engagée avec la division Kœnig dans la bataille d'El Alamein (octobre-novembre 1942). En février 1943, elle entre en Tunisie avec la "Colonne volante" et s'illustre lors de la bataille de Médenine et Foum-Tatahouine. Rattachée à la "Force L", elle partage ensuite le sort de la future division Leclerc.

Après avoir fait partie des troupes du Tchad à l'automne 1941, la 2e compagnie est envoyée au Nigeria, où elle est chargée de surveiller un éventuel coup de force vichyste depuis le Sénégal et le Niger. En février 1943, elle rejoint l'Egypte, où elle est rattachée à la 1re DFL ; au début de juin, elle embarque à Alexandrie pour Tripoli. Quelques jours plus tôt, la 3e compagnie avait débarqué à Suez, avant d'être à son tour acheminée sur Tripoli et le camp de Sabratha. C'est là que les trois compagnies de chars se forment d'abord en bataillon, puis en régiment, sous les ordres du chef de bataillon Cantarel et l'appellation de 501e RCC. Le 28 août, la nouvelle unité rejoint Leclerc à Temara ; elle y est intégrée à la 2e DB, avec une nouvelle compagnie (la 4e), commandée par le lieutenant de Gavardie-Monclar.

Au printemps 1944, le RCC s'embarque pour l'Angleterre et débarque à Utah Beach les 2 et 3 août suivant. Dans le cadre du "Groupement tactique V" (GTV) de la 2e DB, il s'illustrera lors des combats d'Alençon, d'Ecouché - dont la 1re compagnie s'emparera le 13 août - et jouera un rôle important dans la fermeture de la poche de Falaise. Le 23 août, le RCC fonce sur Paris**, où une section de la 2e compagnie pénétrera en même temps que le détachement Dronne. Il prend ensuite part à toutes les phases de la bataille des Vosges*** avec le GTV, en faisant preuve d'une bravoure et d'une hardiesse manœuvrière, qui lui vaudront une citation à l'ordre de l'armée le 17 décembre 1944. En lui attribuant la croix de la Libération**** le 10 août 1945, le général de Gaulle rappellera:

"Au cours des cinq dernières années de combats constants contre l'Allemand, les unités du 501e RCC ont pris part glorieusement à la marche victorieuse des armes de la France Libre, puis à celles de l'Armée française rassemblées contre l'ennemi commun, apportant une participation importante aux campagnes de Syrie, de Libye, de Tunisie, de France et d'Allemagne et plantant son drapeau avec celui des unités voisines jusqu'au cœur de l'Allemagne hitlérienne à Berchtesgaden."