Формируется с 7 по 27 июля 1941 г. в г. Коврове Ивановской области. Формирование проходило быстро. Прибывающих людей, коней, снаряжение едва успевали принимать. Бойцы поступали из запаса, в основном обученные. В состав дивизии вошли 52-й (полковник Стученко), 55-й (подполковник Токаев) и 58-й (подполковник Фондеранцев) кавалерийские полки.

В первых числах августа полки дивизии отправились из г. Ковров Ивановской области в эшелонах на фронт. Районом выгрузки был назначен г. Гжатск (ныне г. Гагарин) Смоленской области. 7 августа первые эшелоны дивизии выгрузились в Гжатске.

14 - 15 августа 1941 года дивизия выгрузилась и походным порядком выдвигается по маршруту Андреевская, Канютино в район боевых действий.

В соответствии приказом командующего фронтом № 01 от 15 августа 1941 г. 45-я кавалерийская дивизия вошла в состав 30-й армии генерал-майора В.А. Хоменко. Кавалеристам была поставлена задача, действуя совместно со 107-й танковой дивизией, к исходу первого дня операции для развития успеха наступления первого эшелона 30-й армии обойти Духовщину с запада и действовать по тылам группировки врага.

17 августа дивизия сосредоточилась в лесах в районе Канютино (16 км западнее г. Холм-Жирковский).

18 августа дивизии не удалось даже подойти к линии фронта, так как противник еще на подступах к линии фронта ударами авиации и артиллерии нанес дивизии большие потери.

19 августа дивизия вновь выдвинулась к линии фронта, но этот первый бой, организованный в спешке, без разведки, привел к большим потерям. Gерешедшие в наступление 242 и 162сд 30А захватили Починок 2-й. В прорыв обороны была введена 45кд, однако атака кавалеристов была отбита пулеметным огнем немцев. Потеряв до 100чел. и 250 лошадей дивизия отошла в исх. положение. К вечеру, отойдя на несколько километров в тыл, полки дивизии стали приводить себя в порядок. Во исполнение приказа командующего Западным фронтом от 21 августа 1941 года дивизия была выведена в резерв фронта.

21 августа части дивизии перешли в подчинение 19-й армии. 45 кд готовится к выступлению ночным маршем в район Клинец, Староселье, Кобелево (все пункты 22-25 км северо-зап. ст. Вадино), составляя резерв фронта. К 5.00 22 августа дивизия сосредоточилась в районе лес вост. Головачева, Жукова, Федосеева. Дивизию планировалось ввести в прорыв на участке 50сд, добившейся на тот момент наибольших успехов в наступлении на Духовщину. Однако удачная атака 24 августа 166 и 244сд изменила эти планы. Дивизия была введена в бой на стыке 244 и 166сд.

24-25 августа дивизия, выполняя приказ командующего 19-й армии, делала попытки прорваться в тыл врага, но вследствие сильного огневого сопротивления и инженерных заграждений противника успеха не имела и отходила в исходное положение. И только 26 августа ночью, в дождливую погоду, через болотистый лес в районе северо-восточнее п. Панов (7,5 км северо-восточнее Кротово), дивизии удалось незамеченой пересечь линию фронта. Потери в ходе рейда составили около 200чел.

29 августа, совершив рейд по тылам противника, дивизия из-за линии фронта вернулась обратно. Командование фронта и армии высоко оценили действия кавалерийских полков дивизии в тылу врага. О смелых и удачных действиях дивизии подробно написала газета "Правда" 14 сентября 1941 года.

По состоянию на 1 сентября 1941 года 45-я кавалерийская дивизия входит в состав 19-й армии Западного фронта.

3 сентября попытка ввести 45-ю кавалерийскую дивизию по приказу Конева через "якобы пробитый стрелковой дивизией "коридор" успеха не имела, так как на самом деле передний край немцев предварительно прорван не был. Дивизия понесла значительные потери.

После неудавшейся попытки прорваться в район Духовщины пришлось переформировывать эскадроны, они насчитывали всего по 50 - 60 сабель.

9 сентября 45-я кавалерийская дивизия выведена из состава 19-й армии в резерв Западного фронта.

В соответствии с Директивой командующего войсками Западного фронта от 10 сентября 1941 г. дивизия в ночь на 11 сентября начала марш по маршруту г. Белый – Шверево (12 км юго-западнее г. Пено) для участия в боевых действиях по уничтожению противника в полосе обороны 22-й армии Западного фронта, вырвавшейся с тяжелыми боями из окружения в конце августа - начале сентября 1941 года.

Утром 12 сентября дивизия прошла г. Белый, к исходу 13 сентября - достигла Верховье (здесь она остановилась на ночной отдых), к 17 сентября дивизия сосредоточилась в районе Щеверово в полосе обороны 22-й армии генерала В.А. Юшкевича.

С 20 по 28 сентября дивизия вела активные боевые действия на одном из участков фронта 22-й армии в районе Ворошилово, Княжево, Мосты, Бервенец (40 км сев. Андреаполь; 30 км сев-зап. Пено), помогая 256-й стрелковой дивизии 22-й армии, ведущей изнурительные кровопролитные бои с противником.

С 28 по 30 сентября дивизия, вновь выведенная в резерв Западного фронта, осуществляла погрузку и отправку полков на ст. Соблаго для переброски их на вяземско-можайское направление.

На станции Новодугинская (46 км севернее Вязьма), не успев сосредоточиться после выгрузки, дивизия получила приказ командующего фронтом немедленно выйти к Соловьевской переправе через Днепр и, прикрыв переправу, остановить немцев, двигавшихся вдоль берега реки с севера.

По состоянию на 1 октября 1941 года дивизия, находясь в резерве Западного фронта, выдвигается в новый район сосредоточения - Ольховка, Холмянка, Иванники (10 км восточнее Вадино).

С утра 2 октября немецкие войска начали наступление против войск Западного фронта, нанося главный удар против соединений 30-й и 19-й армий севернее магистрали Ярцево - Вязьма - Москва в общем направлении на Канютино (15 км западнее Холм-Жирковский) и Холм-Жирковский. Они раскололи фронт обороны советских войск и вклинились в стык между 30-й и 19-й армиями. Управление войсками стало разрушаться.

В течение всего дня 3 октября 45-я кавдивизия с остатками частей 244-й стрелковой дивизии на рубеже Терехово - Никитино сдерживает наступление противника, форсировавшего р. Вопь в полосе обороны 244-й сд и 91-й сд. Командный пункт 45-й кд располагался в Гута. К 14.00 4 октября 244-я сд и 45-я кавдивизия ведут бои в районе лес севернее Гута (4 км сев. Б. Бердяево), Кобелево (3 км сев. Б. Бердяево), Крамаренко, Дворы (1 км вост. Брюхачи).

К 17.00 4 октября 45-я кавдивизия, обеспечивая правый фланг 19-й армии, сосредоточилась в районе Тишино, Кузьмино (10 км сев-зап. Вадино).

К 5 октября немцы севернее Холм-Жирковского вышли к Болышево и, форсировав р. Днепр в полосе обороны 140-й сд 32-й армии Резервного фронта, захватили плацдарм на его восточном берегу.

К вечеру 6 октября 6 и 7 тд 3Тгр противника наступавшие с плацдармов на Днепре вышли к Вязьме с севера, с юга же к городу подходили дивизии 4Тгр. К утру 7 октября противник замкнул кольцо окружения восточнее Вязьмы.

8 октября соединения и части 19-й армии, в том числе и 45-я кд, группа Болдина вели подготовку к прорыву окружения. 9 и 10 октября части дивизии в составе 19-й армии и группы И. В. Болдина вели безуспешные бои с целью прорвать кольцо окружения и вырваться в сторону Гжатска. В эти дни войска 19-й армии и группа И. В. Болдина понесли значительные потери. В трех танковых бригадах оставалось два танка - один КВ и один Т-26. Горючее было на исходе. На гвардейские минометные части ("катюши") оставался один залп. Армия не располагала защитой от ударов с воздуха.

Вечером 12 октября 45-я кавалерийская дивизия отразила атаку противника в направлении хутора Шутово, где располагался штаб 19-й армии. К рассвету, расположившись вдоль опушки леса возле Горнево, дивизия была готова к атаке по прорыву кольца окружения. Впереди конных полков стояли артиллерия и пулеметные тачанки. План был прост и рассчитан на внезапность: пушки и пулеметные тачанки должны были галопом выйти на гребень высоты, скрывавшей конников от противника, и открыть огонь прямой наводкой. Под прикрытием этого огня сабельные эскадроны налетят на врага и пробьют дорогу.

Однако, по приказу командарма Лукина, уже развернувшаяся для атаки дивизия была остановлена. В результате полки дивизии понесли большие потери, а оборона противника не была прорвана. Дивизия вернулась на старое место - к хутору Шутово.

В 23.00 12 октября дивизия получила приказ командующего 19-й армией: держать фронт до 4-х часов утра, после чего отходить на юг, прикрывая войска, которые будут с рассветом 13 октября пробиваться в район Стогово (южнее Вязьмы) на соединение с 20-й армией генерал-лейтенанта Ф.А. Ершакова. Однако, как потом выяснилось, штабы 19-й армии и группы Болдина, сформировав отряд в 600 человек, ушли в неизвестном направлении. Получилось, что дивизия уже около 4 часов фактически никого уже не прикрывала.

В пятом часу утра полки по приказу Стученко снялись с места и начали движение на юг, как было приказано еще вечером командармом. На рассвете 13 октября дивизия подошла к деревне Жипино (7 км сев-зап. Вязьма). Высланные к деревне разъезды были встречены огнем противника. Чтобы избежать ненужных потерь, деревня была обойдена с северо-запада и дивизия через лес направилась на деревню Буханово. Но до нее не дошли, попав опять под автоматно-пулеметный и минометный огонь.

Пришлось вернуться назад к деревне Жипино и предпринять еще одну атаку. Здесь к дивизии присоединились танкисты из 127-й танковой бригады генерал-майора танковых войск Федора Тимофеевича Ремизова. В бригаде, правда, оставалось всего 3 танка КВ, которые вскоре во время боя при пересечении шоссе были подбиты, появившимися со стороны Вязьмы немецкими танками.

Прорвавшись с боем через шоссе, дивизия сосредоточилась в кустарнике на правом берегу р. Вязьма в полутора километрах восточнее шоссейного моста через р. Вязьма. Противник продолжал обстрел дивизии из минометов и артиллерии. До темноты штаб дивизии приводил в порядок остатки дивизии. Собралось около четырехсот всадников, шесть пулеметов на тачанках, около десятка двухпарных повозок. Кроме кавалеристов дивизии, в кустарнике набралось еще около трехсот человек из других частей. С наступлением темноты для разведки противника и поиска удобного места переправы были высланы разъезды, которые доложили, что река широкая - не менее четверти километра, противоположный берег занят небольшими гарнизонами немцев. Наиболее подходящим местом переправы был признан участок р. Вязьма восточнее шоссейного моста. Ближайший немецкий гарнизон на том берегу - в деревне Степаньково, был в шестистах метрах западнее намеченного района переправы. Реку Вязьма было решено форсировать в темное время.

Переправа прошла успешно - часам к пяти утра 14 октября все люди, оружие и лошади были уже на правом берегу. Вечером с боем пересекли железную дорогу и с рассветом 15 октября расположились в 5-ти километрах севернее Стогово. В ночь с 15 на 16 октября подошли к железнодорожной станции Волоста-Пятница (25 км южнее г. Вязьма), пересекли полотно дороги и продолжили движение параллельно железной дороге в полукилометре от нее. В этом районе в ходе ночного боестолкновения с противником отряд распался на несколько групп, которые самостоятельно по кратчайшим направлениям двинулись к линии фронта. Некоторые из них прорвались в районе Наро-Фоминска, а некоторые совсем не вышли к своим.

22.5.1942 года дивизия исключена из списков РККА как погибшая.