С началом войны дивизия под командованием Фоменко принимала участие в ходе приграничного сражения в составе Северо-Западного фронта. В ходе контрудара в течение 23 — 25 июня в районе Шяуляя 3-й механизированный корпус, в составе которого входила и 84-я моторизованная дивизия, понёс существенные потери с уничтожением практически всей материальной части, в результате чего попал в окружение, из которого корпус выходил через территорию Литвы и Белоруссии. В августе дивизия была преобразована в стрелковую и после тяжёлых оборонительных действий на реке Неман понесла значительные потери, в результате чего выведена в город Валдай с целью пополнения личным составом. С сентября 1941 года дивизия под командованием Фоменко в составе Северо-Западного фронта вела боевые действия по обороне города Валдай, а затем принимала участие в ходе Демянской наступательной операции.