Управление дивизии до войны дислоцировалось в Брянске. С началом боевых действий соединение подчинено в составе корпуса 24-й армии, но на 01.07.1941 года переподчинено 19-й армии. При этом большинство частей дивизии осталось в штатах мирного времени, а по состоянию матчасти не дотягивали и до них. Так, например, штатная потребность в автотранспорте на 03.07.1941 составляла 80 %. В силу этих причин 51-я танковая дивизия осталась на доукомплектовании в районе Ржева за исключением 102-го танкового полка, который командованием 23-го механизированного корпуса был направлен под Витебск, где 10.07.1941 года участвовал в нескольких попытках выбить противника с плацдарма в восточной части города вместе с 220-й моторизованной дивизией. Стремительной ночной атакой они заняли всю восточную (левобережную) часть города, форсировали реку. Задача стояла выбить врага с витебского аэродрома. Танкисты немцев оттеснили, пехота заняла аэродром вслед за танками[2].
Неоднократно атакуя, машины вышли из боя с минимальным количеством горючего. Затем им пришлось с почти пустыми баками встретить вражеские танки, ведь уже на следующее утро началось немецкое контрнаступление. К исходу дня противник отбросил советские подразделения назад.
11 июля немецкие войска полностью заняли город. 12 июля немецкий 39-й мотокорпус сосредоточил у Витебска три дивизии (7-ю тд, 20-ю тд и 20-ю мотодивизию) и перешел в наступление на Смоленском направлении. 14 июля танковый батальон капитана Адильбекова остался прикрывать отход советских частей[3].
Принимала участие в подготовке оборонительных рубежей (Селижарово, Оленино, Васильево).
Дриг Е. Ф. Механизированные корпуса РККА в бою. История автобронетанковых войск Красной Армии в 1940—1941 годах. — М.: АСТ, 2005. — 830 с. — (Неизвестные войны). — 5000 экз. — ISBN 5-170-24760-5.
Гл. упр. кадров МО СССР. Командование корпусного и дивизионного звена Советских Вооружённых Сил периода Великой Отечественной войны 1941-1945 гг / подбор и оформ. А. И. Калабин. — М.: Военная Академия им. М. В. Фрунзе, 1964. — 572 с. — (приложение к книге «Военные кадры Советского государства в Великой Отечественной войне 1941—1945 гг.»).
Руководящий политический состав управлений фронтов, флотов, армий, флотилий, корпусов, дивизий, соединений Военно-Морского Флота и танковых бригад периода Великой Отечественной войны 1941—1945 гг. / подбор и оформ. А. С. Жерздев. — М.: Издание Военной академии имени М. В. Фрунзе, 1968. — С. 786.
.svg){kind=small}
