Формировалась как 1-я Крымская стрелковая дивизия сформирована в в районе Кара-су базар (Белогорск) и городе Феодосия на основании приказа по 51-й армии № 001 от 17 августа 1941 года.

Феодосия и Керчь формировали 1-ю Крымскую стрелковую дивизию народного ополчения. В самой Феодосии формировалась 1-я стрелковая бригада (куда влилось немало евреев и крымчаков), транспортная колонна и несколько отдельных частей. Руководил их формированием глава военного отдела горкома Феодосии А. Н. Манукалов. Большой вклад в формирование дивизии внесли жители Керчи: там формировался штаб и 2-я бригада дивизии. Всего в дивизию было набрано около 12 тысяч феодо­сийцев и керчан. Созданный (первоначально — независимо от ополчения) Феодосийский коммунистический батальон численностью до пятисот человек вскоре был включен в состав дивизии. Кроме того, для борьбы с последствиями бомбардировок был сформирован Феодосийский аварийно-спасательный отряд и несколько истребительных батальонов для борьбы с парашютными десантами. Для пополнения кадрового состава в дивизию влили батальон 156-й стрелко­вой дивизии, несший в Феодосии гарнизонную службу. Кроме того, феодосийцами на станции Сарыголь (ныне станция Айвазовская) был построен бронепоезд «Смерть фашиз­му!» («армейский № 2»). На этом бронепоезде использовалось композитное бронирование. Броневагоны были покрыты листами котельного железа, а между двумя листами которого заливал­ся 1ОО-мм слой бетона, марки 400.

Фактически формированием дивизии занимался полковник Шаповалов Г. М. (в августе 42г. под Армавиром 103СК командиром которого будет Шаповалов будет разбит, а сам он сдастся в плен и согласится сотрудничать с немцами).

В начале августа дивизия занималась обороной Керченского полуострова. Возводили инженерные сооружения в городе Керчь. Обороняла побережье от города Судак до мыса Такил. Наиболее боеспособные части дивизии привлекались для усиления других соединений 51-й армии.

24.09.1941 года была переименована в 320-ю стрелковую дивизию (1-го формирования) согласно Директиве ГШ № орг/2/540132 от 19.09.1941

К сожалению, из-за отсутствия подготовленных кадров и неопытности новобранцев дивизия имела очень ограниченную боеспособность. 320-я дивизия была оснащена только стрелковым оружием, и то на 60-65%. Большим недостатком было и то, что часть винтовок была старых образцов японского, британского и французского производства.

12 сентября разведывательные группы 11-й армии Вермахта вышли к Перекопскому перешейку. Началось сражение за Крым. Во второй половине сентября немцы прорвались в северную часть Арабатской стрелки. Из 320-й и 184-й (ялтинские ополченцы) дивизий были изъяты наиболее боеспособные роты общей численностью в 3000 бойцов, собраны в сводный отряд при 276-й Стрелковой дивизии и брошены на фронт. На Арабате феодосийские ополченцы впервые приняли боевое крещение. На этом участке под командованием генерал-майора И.С. Савинова ценой больших потерь им удалось остановить противника.

Уже в период Перекопских боёв со стороны местного татарского, болгарского и части русского населения проявилась явная нелояльность к советской власти. Известны сдачи группами до 150-200 человек в плен из крымских ополченцев 172-й, 321-й и 320-й и 156-й дивизий и предложения ими своих услуг полевых частям Вермахта.

До ноября 1941 года Феодосийцы вместе с другими частями в сжатые сроки возвели Ак-Манайскую укрепленную линию от Черной балки (в 15 км от Феодосии) до деревни Ак-Манай.

В конце октября после прорыва обороны 51А на Перекопе части армии начали отход в направлении Керченского полуострова. 478сп был к 31 октября выдвинут в направлении ст.Ички на жд участке Владиславовка-Джанкой. Здесь полк вступил в бой поддержанный артполком отходившей от Джанкоя 106сд. Преследование наших отходивших частей 51А осуществляли части XXXXIIAK противника (46, 73, 170пд). В этот день противник овладел Феодосией. К 3 ноября части 51А отошли в район Киет. Немецкие войска немедленно перешли в наступление заставив наши войска продолжить отход на Ак-Монайские позиции. 4 ноября противник начал штурм Ак-Монайских позиций. В течении 5-6 ноября оборона наших войск южнее жд была прорвана. С 7 ноября остатки 51А начали отход в направлении Керчи. К 12 ноября наши войска отошли на подступы к Керчи. Организовать оборону на подступах к городу не удалось и с 13 ноября началась погрузка на корабли для эвакуации на Тамань. К исходу 16 ноября эвакуация войск с Керченского полуострова была завершена. Остатки 320сд были расположены в район Старотитаровская, Вышестеблиевская.

Приказом войскам ЗакФ от 30.11.1941. отдано распоряжение к 08.12.41 перевести на штат 04/600 и доукомплектовать 156 и 157 сд за счет л/с, вооружения, матчасти и автотранспорта 271, 276, 320 сд, маршевых подразделений (48 марш.рот)… а Управления 271, 276, 320 сд с штабами частей, входящих в состав этих дивизий, отвести с фронта на формирование в распоряжение командующего войсками СКВО в район ж/д станций Крымская — Кропоткин… В дальнейшем дивизия, в основном, использовалась как рабочая часть. В разговоре с командующим войсками округа генералом В.Н. Курдюмовым 16 февраля 1942 г Л.З. Мехлис потребовал очистить дивизии от, как он выразился, «кавказцев» и заменить их военнослужащими русской национальности. Позднее его слова в отношении этого соединения: «320-я стрелковая дивизия: «Комиссара заменить. Начсостав паникует. Бегуны. Надо заменить часть начсостава»

2 марта начата переброска дивизии на занятый нашими войсками Керченский полуостров. С 23 марта сменяет потрепанную контрударом 22тд противника 398сд в районе выс. 28,2 у Корпечь. 28 марта часть 320сд усиливала 143сбр в ночной атаке по овладению высотой южнее Корпечи. Однако встреченная сильным огнем противника наши части залегли.

Была включена в состав 47А Колганова в составе которой участвовала в последнем наступлении Крымского фронта начавшемся 9 апреля. Части 47А (77гсд, 224сд, 236сд, 271сд и 320сд смогли продвинуться разведотрядам на 600-700м заняв оставленные противником позиции боевого охранения. Сильный заград. огонь немецкой артиллерии не давал продвигаться дальше. Дивизия перешла к обороне на занятых рубежах.

Утром 8 мая 42г. началось немецкое наступление против частей Крымского фронта. После мощного удара артиллерии и авиации немецкие войска прорвали оборону 44А Черняка. Контрудары предпринятые 9 мая частями Крымского фронта ситуацию не изменили. В ночь на 10 мая части 47А начали отход на Ак-Монайские позиции. 320-я дивизия форсированным маршем двинулась к Керчи. В ночь на 13 мая части 44А отходили на Турецкий вал и за него. Впрочем оборона наших войск на Турецком валу была уже прорвана. К 14 мая остатки войск Крымского фронта отходили на Керченский обвод. К утру 14 мая в составе 44А фигурировали только остатки 156сд и 72кд и сборные отряды из разных частей. 14-15 мая шли бои в районе Керчи, после чего остатки наших войск отходили к Еникале где проходила эвакуация на Тамань. Переправа проходила под ударами противника с воздуха. Как указывалось в отчете СКФ-переправа шла толпой. Номеров переправлявшихся частей не было. Большую часть техники и артиллерии еще остававшихся у советских войск пришлось бросить или уничтожить. К исх. 19 мая эвакуация была завершена.

Часть бойцов и командиров укрылись в Аджимушкайских каменоломнях, где некоторые продолжали держаться вплоть до осени 42г..

После эвакуации на Тамань из остатков эвакуировавшихся войск было начато формирование 6 дивизий. Согласно директиве Ставки ВГК № 170426 командующему войсками Северо — Кавказского фронта о формировании и доукомплектовании соединений фронта от 1.06.1942 18.00: … 4. Обратить на укомплектование формируемых шести дивизий [77, 138, 156, 157, 236, 302] остатки 63, 400, 404, 271, 276, 390, 396, 398, 320, 224-й стрелковых дивизий и 12-й, 143-й стрелковых бригад».

В конце июля 42г. в Георгиевске началось формирование новой 320сд закончившей войну в Австрии.