Формирование дивизии начато в Актюбинске в середине июля 1941 года. Дивизия была укомплектована людьми не полностью: общая численность составила 11347 человек. Среди многонационального состава дивизии преобладали русские (4460 человек), казахи (3556) и украинцы (2012). Из других национальностей были узбеки (212), татары (184), таджики (86), туркмены (74), белорусы (23).

18 августа 1941 года дивизия была погружена в эшелоны и направлена под Новгород в распоряжение запланированной к формированию 52-й резервной армии. Разгрузилась к 25 августа в Валдае и выступила в район ст. Крестцы, где заняла оборону от устья р. Волма до Лякова оборудуя оборонительные позиции во втором эшелоне в районе Валдая.

5 октября 1941 года дивизия была снята с позиций, погружена на станциях Ерынья и Валдай и направлена под Москву в распоряжение командующего войсками Московского военного округа. Первые эшелоны начали разгрузку на станции Ворсино 8 октября 1941 года, 10-11 октября 1941 года дивизия разгружалась в Наро-Фоминске и Малоярославце.

9 октября дивизия вошла в состав войск вновь сформированного Московского резервного фронта. 11 октября 1941 года части немецкой 258-й пехотной дивизии ворвались на позиции укрепленного района в пятнадцати километрах севернее шоссе Медынь — Малоярославец. Части 312-й дивизии прямо с колёс контратаковали противника. Не сумев восстановить положение, дивизия сдержала продвижение противника на Боровск.

12 октября при слиянии Западного фронта с Московским Резервным фронтом 312-я стрелковая дивизия вошла в боевой состав 43-й армии Западного фронта.

На 14 октября 1941 года дивизия вместе с курсантами Подольского пехотного училища, Подольского артиллерийского училища, 108-м запасным стрелковым полком, обороняла рубеж: Юрьевское, Ильинское, Мошкино, Детчино (так называемый Ильинский сектор обороны Малоярославецкого боевого участка).

15 октября по шоссе на деревню Тяпино наступали уже тридцать танков. Огнем батареи 13 из них были уничтожены, остальные повернули обратно. Снаряды и патроны закончились, артиллеристы пошли в штыковую атаку. В тот день из 98 казахстанцев в живых остались лишь 17 человек.

16 октября 1941 года после артиллерийской подготовки на фронте обороны Ильинского сектора противник перешел в наступление.

В селе Детчино держал оборону 1081-й полк актюбинской дивизии. Несколько дней три немецких полка безуспешно пытались выбить наших бойцов. Семь раз Детчино переходило из рук в руки. Господствующая высота 209,9 была нашпигована металлом и пропитана кровью. Так и не сумев взять Детчино, немцы обошли ее с тыла. Еще два дня полк дрался в окружении. Только когда закончились боеприпасы, бойцы пошли на прорыв. Из двух с половиной тысяч бойцов в живых осталась лишь сотня.

Противник на несколько дней приостановил наступление, дожидаясь резерва. За это время к Малоярославцу подтянулись кадровая 53-я стрелковая дивизия и 17-я дивизия народного ополчения. Но, к сожалению, они были не готовы к кровопролитным боям. Вот что писал в донесении командующий 43-й армией Голубев: «Пехота этих дивизий разбежалась под натиском батальона пехоты и нескольких танков. Считаю, что 17-я и 53-я дивизии деморализованы, а виновных следует предать суду. Отряду заграждения расстреливать всех бегущих с поля боя».

Ввстретив упорное сопротивление актюбинцев, противник перегруппировался и ударил по флангам. Части дивизии попали в окружение. Ей с боем пришлось прорываться к реке Нара.

Из доклада командира дивизии А. Ф. Наумова начальнику штаба 43-й армии.

1. Противник не смог прорвать нашу оборону и к 17.00 был остановлен.

2. Он понес большие потери в живой силе, боевой технике, особенно в танках.

3. Значительные потери имеются и в наших частях.

4. Боеприпасов для всех видов стрелкового оружия и артиллерии хватит только на завтра, 17.10.41 г.

5. Принимаем меры для отпора врагу на 17.10.41 г.

Одновременно полковник А. Ф. Наумов (исполняющий также обязанности командира Малоярославецкого боевого участка) обратился к командованию с просьбой разрешить отвод войск на Нарский рубеж. Разрешение было получено, и дивизия через Тарутино отступила к Наре. 21 октября 1941 года дивизия вышла на Нарский рубеж обороны и 22-23 октября 1941 года заняла позиции по рубежу деревень Борисово, Орехово, Макарово, Марково, Корсаково. На тот момент дивизия насчитывала в своём составе не более 20-25 % от штата личного состава и вооружения и 24 октября 1941 года на базе остатков 312-й, 53-й и 17-й стрелковых дивизий сформирована сводная дивизия, которая с 25 октября 1941 года отбивает атаки противника, на 26 октября 1941 года ведёт бои в районе деревень Ильино, Перово, Колонтаево, Тетеренки, Климовка с задачей прорваться на северный берег реки Нара. Бои продолжались и 27-29 октября 1941 года. В ходе боёв в последние дни октября 1941 года части, входящие в состав дивизии вели бои уже разрозненно, не имея связи с командиром дивизии; так 1083-й стрелковый полк отходил севернее Варшавского шоссе, будучи подчиненным Подольскому пехотному училищу, а 1081-й стрелковый полк вышел из окружения у Детчино и должен был отходить по Старой Калужской дороге на Угодский Завод. Через Тарутино по некоторым данным отходило только около 300 человек из состава дивизии.

29 октября 1941 года сводная дивизия приказом № 30 стала именоваться 53-й стрелковой дивизией

Из 11 000 человек личного состава 312-я стрелковая дивизия в боях под Москвой потеряла около 9500 человек и была официально расформирована 27 декабря 1941 года.

Командир дивизии Наумов А.Ф. в дальнейшем командовал 53сд, а конце войны 118СК.