Дивизия формировалась в начале июля 1941 года на базе 119-го танкового полка и других подразделений 59-й танковой дивизии, прибывшей с Дальнего Востока в район подмосковной Кубинки. В качестве мотострелкового полка в дивизию 20 июля 1941 года был передан корпусной мотоциклетный полк расформированного 26-го мехкорпуса. Из 102-й танковой дивизии прибыл артиллерийский дивизион 76-мм орудий, на основе которого началось развертывание артиллерийского полка ПТО. Разрозненное прибытие подразделений, на базе которых планировалось развертывание полков и частей обеспечения, а также нерегулярное поступление пополнения предопределило длительную невозможность боевого использования соединения.
В составе группы генерала А. Н. Ермакова 29 августа 1941 года дивизия была введена в бой против XXXXVII танкового корпуса противника. 31 августа развернулось танковое сражение, в котором участвовали с советской стороны — 108-я танковая дивизия и 141-я танковая бригада полковника П. Г. Чернова (бывшая 110-я танковая дивизия), с немецкой стороны — 17-я танковая дивизия. Сражением руководили заместитель командующего Брянским фронтом генерал-майор Ермаков и генерал-лейтенант танковых войск В. А. Мишулин.
108-я дивизия имела задачей нанести сокрушающий удар по группировке противника, переправившейся через реку Судость в районе Почепа. Однако выдвижение дивизии происходило медленно, меж тем как противник без особых усилий сбил со своих позиций на реке Судость вновь сформированные и необстрелянные дивизии 3-й армии, вынудив их к беспорядочному отходу. 108-я танковая дивизия оказалась в крайне невыгодных тактических условиях. Ее правый фланг был обойден танками противника, и дивизии пришлось вести бои с перевернутым фронтом на восток и северо-восток, будучи отрезанной от основных путей подвоза боеснабжения. В таких условиях соединение сражалось около пяти суток, серьезно замедлив темпы продвижения противника к Трубчевску.
Из окружения дивизия вышла в составе 17 боевых машин (2 КВ, 7 Т-34, 2 Т-40, 3 БА-10 и 3 БА-20), трех 76-мм орудий, восьми зенитных орудий и 1200 человек личного состава. Полностью были сохранены все тылы дивизии. Остальная часть соединения продолжала оставаться в районе села Брусничный, угрожая флангу и тылу группировки противника на этом направлении.
Результатом сражения под Трубчевском стало очищение от противника района между реками Судость и Десна. 17-я танковая дивизия противника, имея сильно растянутые коммуникации и большие потери, вынуждена была оставить район западнее Трубчевска и перейти Десну в полосе 29-й моторизованной дивизии, которой удалось захватить плацдарм у станции Знобь.
В ходе этого танкового сражения стороны понесли большие потери: на 7 сентября 1941 года 108-я танковая дивизия потеряла 53 танка и 500 человек, 141-я танковая бригада — 24 танка и 80 человек убитыми и ранеными.
Немецкие потери оценивались командованием Брянского фронта в не менее 4000 человек, 110–115 танков и 45 орудий. Вряд ли эти цифры соответствовали действительности, однако факт крайне низкой боеспособности немецкой 17-й танковой дивизии в начале сентября — неоспорим.
Гейнц Гудериан в своих воспоминаниях упоминает это танковое сражение следующим образом: «
В соответствии с директивой командующего Брянским фронтом от 28 сентября 1941 года 108-я танковая дивизия определялась в резерв фронта с дислокацией в районе Пильшино, Красное, в готовности к контратакам совместно с 287-й стрелковой дивизией в направлении на Жуковку, Почеп, Погар.
В начале ноября 1941 года 108-я танковая дивизия была выведена на переформирование в мотодивизию в город Венев.10 ноября 1941 года, после продолжительного периода действий без материальной части, дивизия должна была получить из Москвы 10 танков КВ и 20 танков Т-60. 17 ноября 1941 года дивизия была передана в состав 3-й армии Юго-Западного фронта, однако 19 ноября 1941 года вновь возвращена на Западный фронт.
В конце ноября дивизия участвовала в обороне Тулы, к этому времени исправных танков и ней не осталось. Ее командир полковник Иванов одновременно являлся начальником тульского гарнизона. 2 декабря дивизия расформирована, на ее базе создана 108-я тбр (полковник С. А. Иванов). 216-й танковый полк переформировав и 63-й танковый батальон, 217-й танковый полк — в 257-й танковый батальон.
Командир
— полковник Семен Панкратьевич Чернобай.Военный комиссар
— полковой комиссар Антон Алексеевич Сурин.