303 сд была сформирована в июле 1941 года в Воронеже в соответствии с постановлением Государственного Комитета Обороны № ГКО-207сс. В начале августа части дивизии стали прибывать в район Ельни. 8 августа из района Оболовка дивизия выступила для занятия рубежа по р. Шуица в районе Уварово, Зубовка, Хотеево. Сосредоточившись на этом рубеже к 14 августа дивизия вошла в состав 43А РезФ.

22 августа дивизия была передана в состав 24А и к 24 августа заняла участок на южном фланге Ельнинского выступа около Мутище, между 106мд и 120сд. 27 августа дивизия сменила части 222сд на участке Бол Липня, Лапинские, Куртовка.

К утру 30 августа 303сд заняла исходный рубеж для наступления на Ельню Ново-Сокольники, Старина на крайнем юге ударной группировки. наступление должен был поддерживать 2 дивизиона 488кап и батарея М-13.

Начав наступление утром 30 августа дивизия довольно успешно продвинулась вдоль р. Десна в северном направлении и вела бои за Леоново, Скоково. 31 августа Леоново и Скоково были заняты.1 сентября дивизия отражала контратаку противника и была отброшена за Стряну у Леоново и приводила себя в порядок. Для усиление дивизии был передан танковый батальон (9 Т-34 и 20 Т-26) и 785чел. пополнения. После этого дивизия перешла в наступление на Бобылево, Кукуево. 2 сентября продвижение было минимальным, но 3 сентября удалось продвинуться на север в направлении Шепелево, Волково, Егорье. 15 имеющихся танков завязли в болоте, но другие 15 поддержали пехоту в наступлении.

С 5 сентября противник начал отвод своих войск из выступа. Дивизия преодолевая упорное сопротивление противника вышла к 6 сентября к Озеренску на берегу Стряны. В ходе ликвидации ельнинского выступа 303 сд понесла большие потери. На 12 сентября в её составе насчитывалось 2930 человек.

После Ельнинской операции 303 сд перешла в оборону. 15 суток она прочно удерживала свои позиции 30 сентября - 1 октября дивизия предприняла ряд контратак в районе Кукуево выйдя к р.Стряна. В ночь на 2 октября дивизия выводилась во второй эшелон, сменяясь 139сд (бывшая 9дно). Был получен приказ о передачи её 49-й армии и выдвижении к станциям Павлиново и Спас-Деменск. Части 49А предполагалось перебросить в район Сумы на Украине, для закрытия бреши образовавшейся в результате поражения ЮЗФ под Киевом. 3 октября, cогласно директиве Ставки ВГК № 2703/оп командующим войсками Резервного фронта, 49-й армией об изменении районов сосредоточения дивизий 303-ю сд было приказано во изменение ранее данной директивы сосредоточить в районе Карачева. Однако в связи с прорывом обороны 43А командование Резервного фронта запросило Ставку возможность использования 303сд двигавшейся маршем к Спас-Деменску.

Во второй половине 4 октября прорвавшиеся танковые части противника заняли Спас-Деменск. 303сд было приказано выйти на промежуточный оборонительный рубеж в двадцати километрах севернее Спас-Деменска и занять оборону у лесного массива в районе деревни Буда. Под покровом ночи полковник Моисеевский быстро снял полки с рубежа обороны у Спас-Деменска и вывел дивизию на новый оборонительный рубеж. 5 октября выступила в бой на занятом рубеже. Завязался тяжелый неравный бой. Вражеская пехота под прикрытием огня артиллерии, имея впереди себя танковый таран, пыталась прорвать фронт обороны дивизии. То на одном, то на другом участке завязывались ожесточенные бои, в которых воины дивизии, проявляя массовый героизм, стойко удерживали рубеж обороны, перехода в контратаки. В этих боях полковника Моисеевского не раз можно было видеть на самых опасных участках боя, часто идущего вместе с красноармейцами в контратаки. Сотни своих солдат оставил враг перед позициями 303 -й стрелковой дивизии, и это охладило на какое-то время его пыл.

7 октября 1941 года гитлеровцам удалось обойти дивизию с флангов. Остатки уцелевших подразделений, продолжавших сражаться до последнего патрона и снаряда, оказались в лесу севернее Буды в кольце. 7 октября немецкие войска прорвались к Вязьме, образовав Вяземский котёл, в котором оказалось большое количество советских войск, в том числе и 303 сд. Часть бойцов и командиров дивизии вместе с ее командиром прорвавшись из Вяземского котла выходили из окружения в восточном направлении к Можайску. , где соединились с партизанским отрядом. Наконец в начале декабря сводный отряд под командованием полковника Моисеевского в форме, с документами и оружием в руках соединился с частями Красной Армии. После проверки в органах НКВД Моисеевский был назначен зам. командира 160сд.

27 декабря 1941 года дивизия была расформирована как погибшая. Однако еще 3 декабря в Кемерово было начато формирование новой 303сд которой были оставлены старые номера полков дивизии 1-го формирования.