Дивизия была сформирована в Белорусском военном округе в 1939 году.

Участвовала в Польском походе 1939 и Зимней войне.

На 22 июня 1941 года дивизия входила в 17-й стрелковый корпус 12-й армии и располагалась на советско-румынской границе в районе Тарасауци. 24 июня 1941 года 17-й стрелковый корпус был включён в состав 18-й армии Южного фронта.

Дивизия до 5 июля пресекала все попытки румын перебраться через Прут. Однако в связи с прорывами на других участках фронта она была вынуждена в ночь с 5 на 6 июля начать отступление за Днестр, где заняла оборонительные позиции на рубеже Курашовцы — Мурованые Куриловцы — Калюс — Бернашевка, препятствуя тем самым переправе противника через реку.

Части 17СК отходящие на Каменец-Подольский УР к 10 июля оказались под угрозой обхода противником занявшим Проскуров, а на юге с плацдарма на Пруте вышедшие уже к Могилеву-Подольскому. Было принято решение оставить Ур и отвести корпус на рубеж Копай-Город, Мурованые Куриловцы, Рудаковцы.

15-16июля немцы прорвали Летичевский УР и начали наступление в южном и юго-восточном направлении. Кроме того, 17-18 июля XI и XXX АК противника форсировали Днестр у Липчан, Бронницы, Козлова и Ямполя и захватили Могилев-Подольский и Ямполь прорвав оборону УР. 19 числа 164 сд занимала рубеж по восточному берегу р. Лядова. 20 июля силами одного полка вела бой, имея задачей совместно с 96-й гсд концентрическим ударом на Томашполь уничтожить прорвавшегося из Бронницы противника.

К 23 июля возникла угроза на стыке 18 и 9 армий. XXX корпусу противника удалось в клинится в районе Кодыма на стыке двух армий. 164сд перебрасывалась в район Вербка, Бандуровка для нанесения контрудара. В ночь на 25 июля дивизия вышла в район Ободовки и начала наступление на юг, овладев Таркановкой, Бандуровкой и Белым Камнем. Было захвачено 6 орудий, 30 пулемётов и подбито 2 танка противника. Отсюда дивизия продолжила развивать наступление на Луги и Рыбки.

В результате боев 25-28 июля немцы овладели районом Гайсина и Теплика, выйдя на первомайском направлении к рубежу Плоское — Балта и образовав прорыв между 18-й и 9-й армиями шириной в 20-25 км. 18-я армия под натиском противника начала отступление. К исходу 29 июля 164-я сд с боем вышла к Южному Бугу и приступила к организации обороны на его восточном берегу на рубеже Гайворон — Завалье. На следующий день немцам удалось после боя овладеть п. Хащеватое и оттеснить дивизию к Могильно. К этому времени она уже потеряла 60 % личного состава и матчасть.

2 августа 18-я армия отошла на новую линию обороны. 164-я сд на рассвете 3 августа расположилась на рубеже Липовенька — Капитоновка, фронтом на запад, имея перед собой до двух пехотных полков немцев, её 531-й сп отходил на Лукашовку.

4-5 августа 17-й ск под огнём противника переправился в районе Чаусово на южный берег Буга, 164-я сд сосредотчилась при этом у с. Николаевка. К утру 6 августа отряд Сергиенко со сводным полком 164-й сд занимал рубеж Новоселки — Счастливое фронтом на восток, имея передовой отряд у Степановки. Их задачей было восстановление положения на р. Буг и занятие оборонительного рубежа Богдановка — Ивановка с целью отвлечения противника на себя.

В ночь на 7 августа остатки 164-й сд вместе со всей армией начали отступать на новый оборонительный рубеж к Любомировке, Доманевке и Молдавке. 9 августа остатки дивизии (до 700чел.) вышли р. Южный Буг у Новой Одессы, где переправлялись по мосту построенному частями 2КК. В дальнейшем дивизию планировалось перебросить в район Суворовка, Сухой Еланец.

За неудачные бои на р. Южный Буг, когда при отходе был преждевременно взорван мост через Буг и дивизия понесла большие потери в артиллерии командир дивизии полковник Червинский был снят с должности и предан суду.

К исходу 11 августа дивизия обороняла рубеж Буденовка, Червоно-Владимировка. В течении 12-13 августа части дивизии успешно отразили атаки венгерской моторизованной бригады, переходя в контратаки. Противник понес большие потери. 14 августа дивизия отводилась за р. Ингул и вела оборонительные бои в р-не. Христофоровки.

15 августа дивизия, продолжая отход в восточном направлении, переправилась на восточный берег р. Ингул, ведя бой в тактическом окружении на фронте Пересадовки, ст. Грейгово, ст. Лоцкино, Доброй Криницы, Балацкого и Ингулкии и стремясь прорваться на Снигирёвку. К исходу 17 августа дивизия отошла за р. Ингулец в районе Бобровый Кут.

18 августа 18-я армия вышла к переправам через Днепр у Каховки и Новых Каир и 23-го числа закончила переправу на левый берег. 164-я сд сосредоточилась у Ушкалки, Нижнего Рогачика и Малой Лепатихи. На 22 августа артиллерия 164сд насчитывала 18 122мм орудий, 21 76мм , 6 76мм зен., 4 37мм зен., 12 45мм, 6 120мм миномета. На 22 августа дивизия удерживала предмостный плацдарм на Днепре, к исходу 23 августа закончила переправу через Днепр.

С 25 августа по 1 сентября получила пополнение 4092чел., занимая оборонительные рубеж. Б.Знаменка, М.Лепетиха. 3-5 сентября дивизия предприняла демонстративное форсирование Днепра у Золотой Балки, что отвлекло внимание противника к этому району. На 1 сентября насчитывала 7171чел., 20 орудий, 10 гаубиц, 17 орудий ПТО, 310 автомашин.

11 сентября армия продолжала укреплять занятые рубежи. Немцы в течение дня вели боевые действия против передовых частей 164-й сд. Группа противника переправилась через р. Подпильня и повела наступление по правому берегу р. Днепр на брод Конный в 4 км западнее Каменки. Вторая группа, переправившись через Подпильню южнее Копыловки, начала продвигаться к излучине Днепра, пытаясь захватить подразделения 164-й сд, однако была остановлена артогнём дивизии.

12 сентября дивизия овладела Горностаевкой, где захватила 2 противотанковых орудия (ПТО), 7 машин, 4 мотоцикла, 250 велосипедов и штабную машину с документами и печатями.

На 15 сентября дивизия насчитывала 10733чел., 62 орудия, 16 орудий пто, 21 миномет, 41 станковый и 207 ручных пулемета.

К утру 14 сентября 164-я сд занимала позиции в Михайловке, Завадовке и Марьинске, а 16-го, прикрываясь двумя батальонами на участке Михайловка — Великая Лепетиха, сосредоточила главные силы на рубеже Верхний Рогачик — Зелёная № 2 — Николаевка, продолжая сдерживать попытки противника переправиться на левый берег. К этому периоду в составе дивизии находилось 10733 бойца, среди вооружения у неё имелось 8576 винтовок, 207 пистолетов-пулемётов, 41 станковый пулемёт, 62 орудия, 16 ПТО и 21 миномёт.

На исходе 17 сентября 164-я сд вместе со 130-й сд и 96-й гсд вела бой в районе Верхнего Рогачика, Гюневки и Менчикур. 18-го числа она продолжила отступление, достигнув рубежа Бол. Знаменка — Незаможний — Нов. Алексеевка, а 20 сентября заняла положение у Балки и Шмальковки. 24 сентября дивизия производила усиленную боеразведку. Разведрота 620-го сп к исходу дня вела бой в 5 км северо-западнее Водянского, а разведотряд 531-го сп занял п. Розы Люксембург. 25 сентября продвижение последего было оставовлено сильным ружейно-пулемётным огнём в 5 км юго-восточнее Новоднепровки.

Утром 27 сентября 18-я армия во взаимодействии с войсками 9-й армии перешла в наступление, стараясь уничтожить менчикур-веселовскую группировку противника. 164-я сд, сломив на правом фланге армии сопротивление 3-й горнострелковой бригады румын, овладела Благовещенским, Новоднепровкой, Нововодяным, Троицким и Цветково. В этот же день она получила пополнение в количестве 200 человек.

В ночь на 29-е число дивизия вышла в район Водяное — Днепровка — Новотроицкий — Цветково, имея рубеж обороны на восточной окраине Каменки у перекрёстка дорог в 3 км западнее Днепровки. В 12.00 этого же дня немцы перешли в контрнаступление и к 15.00 вышли к дороге между Большой и Малой Белозерками. Ночью два полка 164-й сд сосредоточились в районе совхоза в 4 км северо-западнее Водянского, один полк прикрывал направление, занимая рубеж Балки — Новоднепровка.

Днём 30 сентября дивизия вела бой с противником силою до двух полков с 20 танками, наступавшим от Большой Белозерки в северо-восточном направлении.

Утром 1 октября 164-я сд двумя полками занимала рубеж Елизаветовка — совхоз в 4 км к северо-востоку от Большой Белозерки, третий полк находился во втором эшелоне. Днём немцы безуспешно пытались прорвать линию обороны дивизии.

2 октября в 3.00 дивизия начала перегруппировку с целью отхода на противотанковый оборонительный рубеж Балки — Воробьёвка. 3 октября 164-я сд совместно с другими частями 18-й армии обороняла рубеж Балки — озеро в 2 км северо-восточнее Водянского.

4 октября 18-я армия продолжила отступление. К исходу дня 164-я сд находилась в движении: один её полк подходил к Верхнему Токмаку, второй — к Новомунталю (ныне Переможне), третий — к Нейнассау. Утром 5 октября главные силы дивизии находились в районе Остроковки. В этот же день 1-й танковая армия вермахта вышла к Азовскому морю у Бердянска, взяв таким образом 18-ю армию в окружение у c. Черниговка.

К утру 10 октября остаткам 164-й сд вместе бойцами 176-й, 274-й дивизий и опергруппой штаба армии удалось прорваться из окружения в районе с. Новокарань, после чего строевые части прорвавшихся начали сосредоточение в районе ст. Иловайской. К утру 13-го числа остатки 164-й дивизии занимали позиции у Зуевки.

В ноябре дивизия без ведома наркома обороны была расформирована. Официально расформирование произошло 27 декабря 1941 года согласно приказу НКО СССР № 00131 «Перевод стрелковых дивизий на новые штаты (и расформировании соединений)».