К 22 июня1941 года, дню нападения Германии на СССР, первые три эшелона дивизии уже прибыли в Витебск. Полностью части дивизии сосредоточились в Витебске только к 27 июня 1941 года. Дивизия, выгрузившись в Витебске, была укомплектована по штату мирного времени (6 000 солдат и командиров (офицеров)). В связи с объявлением войны, в период 22 — 27 июня 1941 года части дивизии спешно доукомплектовывались личным составом, вооружением и материальной частью. Пополнение, прибывшее в дивизию, зачастую было необеспеченно, тем не менее через неделю стрелковая дивизия была вполне боеспособной.
Одновременно с доукомплектованием, части формирования 26 июня 1941 года заняли оборону на широком фронте на рубеже: Гнездиловичи — Холм — свх. Ходцы — Мошканы — Бурдели — ст. Крынки. Одновременно передовые отряды дивизии вышли в район: Улла-2 (435 сп), Бешенковичи (разведбатальон дивизии), Верховье (по ОТ 666 сп), Сенно (по ОТ 505 сп).
5 июля 1941 года передовые отряды на этих рубежах вступили в бой с крупными моторизованными силами противника, прорывающегося к Витебску. 7 июля 1941 года в бой вступили основные силы дивизии в районах: Гнездиловичи, Щикотовщина, Павловичи, свх.Ходцы. Противник крупными силами мотомехпехоты и танков, развивая наступление, пытался прорваться к городу Витебску вдоль шоссеБешенковичи — Витебск, и 7 июля 1941 года подошёл к рубежу обороны дивизии. В течение всего дня части вели ожесточённые бои с наступающим противником и, нанося ему большие потери, остановили его продвижение к городу по шоссе. Немецкие части, ведя бои с обороняющимися частями дивизии, одновременно крупными силами начали наступление на Витебск: и по шоссе Полоцк — Витебск и южнее по шоссе Сенно — Богушевск, обходя таким образом дивизию с севера и юга. 8 июля 1941 года в связи с наметившейся угрозой окружения противником, дивизия произвела частичную перегруппировку своих сил, и заняла оборону на рубеже Гнездиловичи, Холм, свх. Ходцы, Мошканы, Щемиловка.
Эти бои носили исключительно ожесточённый характер. Противник неоднократно пытался прорвать оборону частей и подразделений соединения, но не достигнув успеха и понеся большие потери в людях и технике, отказался от фронтального прорыва обороны дивизии. Прорвав оборону соседних частей справа и слева, крупными силами пехоты и танков он начал обходить части дивизии с севера и юга. Продолжая наступление севернее и южнее обороняющихся частей дивизии, противник к исходу 10 июля 1941 года, прорвавшись по шоссе Городок — Витебск и Полоцк — Витебск, овладел западной частью города Витебска, выйдя непосредственно на западный берег реки Западная Двина. Развивая наступление в направлении Смоленска, его мотомехчасти обошли дивизию.
С 11 июля 1941 года дивизия находилась в окружении в районе населённых пунктов Поповка, Карповичи, села Крынки, что в 8, 14 и 22 км соответственно юго-восточнее города Витебск. По приказу комдива 1 764 нетранспортабельных раненых бойцов пришлось оставить на попечение военврача А. И. Пластова в Высочанах и окрестных деревнях в небольшой участковой больнице и у местных жителей. К утру 17 июля 1941 года дивизия основными силами вышла в район: Слепцы, Логуны, Кароли, что в 17, 14 и 18 км соответственно юго-западнее крупного населённого пункта Лиозно (Витебская область). По 5 августа 1941 года включительно дивизия выходила из окружения. К августу от её первоначального состава (16 000 человек) осталось около 850 солдат и командиров (офицеров). С 20 июля по 5 августа 1941 года документов дивизии и вышестоящих штабов в Архиве МО СССР не обнаружено.
С 6 по 22 августа 1941 года формирование вело боевые действия на восточном берегу реки Днепр и на западном берегу по расширению плацдарма в районе Ратчино, Ляхово, Головино.
С 22 августа по 6 сентября 1941 года дивизия вела боевые действия в районе высоты 249.9 на восточном берегу реки Днепр, а затем на западном берегу.
За мужество и героизм личного состава, проявленные при защите социалистической Родины, приказом Народного Комиссара Обороны № 308, от 18 сентября 1941 года, 153-я стрелковая дивизия была награждена почётным званием Гвардейская, ей присвоен новый войсковой № 3, и она переименована в 3-ю гвардейскую стрелковую дивизию.
Генеральный Штаб. Военно-научное управление. «Сборник боевых документов Великой Отечественной войны. Выпуск 32». — Москва: Военное издательство Министерства Обороны Союза ССР, 1957.
Станцев В. Т. «Диво-дивизия». — Екатеринбург, АРГО, 1995. 126 стр.