Дивизия переформирована 15 июля 1941 года из 9-й танковой дивизии. Первые эшелоны дивизии начали прибывать и разгружаться на станции Кировская (Фаянсовая), недалеко от Брянска, только 11 июля. После разгрузки дивизия собиралась в лесах в районе северо-западнее Кузьминичей, получила некоторое количество танков КВ-1 и Т-34. 19 июля 1941 года оснащение и формирование было закончено.
Дивизия получила приказ нанести контрудар на Ельню, действуя совместно с частями 19-й стрелковой дивизии. Однако на пути к Ельне 19-я стрелковая дивизия понесла большие потери, поэтому 21 июля года штурм города начала 104-я танковая дивизия с одним батальоном 19-й стрелковой дивизии.
В момент ввода в бой танков в дивизию поступил приказ с требованием срочно вывести из боя дивизию и перебазировать её в район Рославля. При выходе из Ельни попала под тяжёлый авиаудар. К утру 23 июля дивизия сосредоточилась в районе Борисовочка, Ковали, поступив в распоряжение ударной группы генерала Качалова; её артиллерийский полк занял оборону на соседнем участке на восточном берегу Десны севернее шоссе Рославль — Москва.
Участвовала в общем наступлении группы в направлении вдоль шоссе Рославль-Смоленск, вела тяжёлые, но в общем успешные, наступательные бои до конца июля 1941 года. 1 августа 1941 года враг прорвал оборону советских частей и к 3 августа завершил окружение ударной группы генерала Качалова. Вместе с дивизией в кольцо попали 149-я стрелковая дивизия и 145-я стрелковая дивизия. 4 августа весь день дивизия ведёт безуспешный бой по выходу из окружения, неся большие потери. 5 августа дивизия начала выход из окружения по иному маршруту, рано утром по лесной дороге на большой скорости вышла к мосту через реку Десну, с ходу смяла охранение немецких частей и без потерь переправилась. Далее она почти без боя шла на восток к своим вдоль шоссе Рославль-Москва и вскоре сосредоточилась на сборном пункте в районе деревни Амур, выведена в резерв, заняла рубеж на восточном берегу Десны. 6 сентября 1941 года переформирована в 145-ю танковую бригаду.