В начале войны дивизия действовала в составе 15-го ск 5-й армии. Участвовала в Приграничном сражении. После прорыва противника на стыке 5-й и 6-й армий дивизия отходила на промежуточные рубежи по рекам Стоход и Случь, а затем в Коростеньский УР. 24-31 июля участвовала в контрударе у города Малин. 20 августа, ввиду наметившегося обхода правого фланга 5-й армии, начался отход армии за Днепр. При этом 15-й стрелковый корпус, за исключением 45-й дивизии, был переброшен в район северо-восточнее Чернигова автотранспортом и по железной дороге. 45-я дивизия отходила в пешем порядке, при этом прикрывая в одиночку всю полосу, которую ранее занимал корпус. Отход на рубеж Днепра был произведён успешно, однако в результате совместного наступления 2-й и 6-й армий немцев 5-я армия потерпела поражение. 45-я сд была окружена в районе Чернигова, командир дивизии Шерстюк ранен. К 10 сентября из окружения прорвалось всего 500 человек из состава 45-й и 62-й сд, объединённых в группу командира 62-й сд полковника Тимошенко, материальная часть была практически полностью потеряна. Остатки дивизии были рассеяны при выходе из Киевского «котла», однако командир дивизии вышел из окружения со штабом 15-го ск и было спасено знамя дивизии. Фактически дивизия была сформирована заново в ноябре-декабре 1941 года в Воронеже, по большей части из местных жителей (в том числе из народного ополчения). Дивизия 7 ноября 1941 года приняла участие в параде войск в Воронеже.