Ab Juni 1941 nahm die 134. Infanterie-Division als Teil der Heeresgruppe Mitte am Überfall auf die Sowjetunion teil. Im Dezember 1941 war die Division während des Vormarsches auf Moskau in die Abwehrschlacht von Klin verwickelt. Zusammen mit der 45. Infanterie-Division wurde sie als Teil der 2. Armee bei Liwny vorübergehend eingeschlossen und verlor einen großen Teil ihrer Artillerie. Bis 1943 blieb der Großverband im Orel-Sektor. Anschließend nahm die Division im Sommer/Herbst 1943 an den Verteidigungsschlachten um Gomel und Bryansk teil. Im März 1944 folgte die Eingliederung der restlichen Truppenteile der 390. Feldausbildung-Division.