Битва под Москвой. Волоколамск

На правом фланге дивизии, наиболее удалённом от Волоколамского шоссе, оборудовал свои позиции 1077-й стрелковый полк под командованием майора  З. С. Шехтмана. Эта часть была сформирована последней и не успела пройти полное обучение на дивизионном полигоне, поэтому И. В. Панфилов разместил её там, где не ожидалось серьёзного удара противника. В центре дивизии — 1073-й стрелковый полк майора Г. Е. Елина. На левом фланге, где генерал Панфилов ожидал удар главных сил 4-й танковой группы, был размещен 1075-й стрелковый полк полковника И. В. Капрова.
Все стрелковые полки были усилены артиллерией, непосредственно в боевых порядках батальонов первого эшелона было создано 10 противотанковых опорных пунктов. Однако из-за чрезмерно растянутой полосы обороны дивизии границы батальонных районов обороны и опорных пунктов не совпадали и комендант опорного пункта не подчинялся командиру батальона, что отрицательно сказалось на координации действий и устойчивости обороны. Также по распоряжению командующего 16-й армией в полках дивизии были созданы истребительные противотанковые отряды в составе взвода саперов на автомашинах с запасом противотанковых мин и бутылок с горючей смесью.
Резерв дивизии составляли отдельный сапёрный батальон и танковая рота.
 В тылу дивизии находился противотанковый резерв в составе двух батареи ПТО (четыре 85-мм и четыре 45-мм орудия) и противотанковый район, который занимал 296 полк ПТО в полном составе, что обеспечивало глубину противотанковой обороны на Волоколамском шоссе.
В полосе дивизии развивали своё наступление 106-я и 35-я пехотные дивизии вермахта, а основной удар вдоль шоссе наносила 2-я танковая дивизия. Наступление началось 15 октября 1941 года и дивизия вступила в ожесточённые бои.
18 октября 1941 года левый фланг дивизии был обойдён и немецкие войска взяли Осташево. После неудачных попыток взять Волоколамск с юга, противник сконцентрировал свои усилия на правом фланге дивизии. Прорвав оборону 1077-го стрелкового полка 25 октября 1941 года 35-я пехотная дивизия вышла к Зубово в пяти километрах от Волоколамска. Одновременно удар был снова нанесён и с юга, от Осташево, где немецкие войска сломили сопротивление дивизии и к исходу дня оттеснили 1075-й стрелковый полк к станции Волоколамск. К концу дня 1077-й стрелковый полк с приданным 525-м артполком ПТО  закрепился у Альферьево, 1075-й стрелковый полк с 289-м и 296-м артполками ПТО в Жданово, 1073-й стрелковый полк был отведён в резерв, как наиболее потрёпанный.
27 октября 1941 года немецкие войска прорвали оборону приданного дивизии 690-го стрелкового полка, и 316-я стрелковая дивизия была вынуждена оставить Волоколамск и занять оборону восточнее и юго-восточнее города на рубеже Малеевка — Ченцы — Большое Никольское — Петелино.
29 октября дивизии была также придана 4-я танковая бригада под командованием Катукова М.Е., срочно переброшенная из-под Мценска по личному указанию Сталина.
По оценке начальника оперативного отдела штаба Западного фронта генерал-лейтенанта Маландина, основные причины сдачи Волоколамска:
1) Слабый состав 316 стрелковой дивизии, которая, ведя непрерывные бои в течение 12 дней, понесла большие потери и не пополнялась.
2) Ошибка командира дивизии, который на основном направлении поставил малоустойчивый 690 стрелковый полк, не закончивший формирования.
3) Отсутствие со стороны Военного Совета армии и командования дивизии непосредственной организации обороны г. Волоколамска, что не позволило задержать противника на подступах к городу и выиграть время для приведения 690 стрелкового полка в порядок и сосредоточения необходимых сил за счет 1077 стрелкового полка и группы Доватора для организации контратаки.
4) Слабое руководство командования 690 стрелкового полка, утерявшего управление полком и допустившего беспорядочный отход полка; неиспользование командованием дивизии и полка подготовленного рубежа обороны непосредственно южнее Волоколамска и невыполнение условий уличной борьбы за город.
5) Недостаточный манёвр со стороны командования дивизии противопехотным артиллерийским огнём за счет артиллерии, действовавшей на других участках дивизии.
— На подступах к Москве / Скрытая правда войны: 1941 год: неизвестные документы. 1992
В октябрьских боях дивизия понесла существенные потери, в частности, только 1075-й стрелковый полк потерял 2540 бойцов и всю артиллерию.
В целом командование высоко оценило действия дивизии в октябрьских боях. Согласно донесению командующего войсками Западного фронта Верховному Главнокомандующему от 16 ноября 1941 г.:
В период Волоколамской операции 316-я стрелковая дивизия отважными и умелыми действиями в течение 20 - 27.10.41 отбивала атаки трех пехотных дивизий и танковой дивизии фашистов.  За проявленную отвагу в боях, за стойкость, мужество и героизм всего личного состава дивизии в борьбе с фашистами ходатайствую о присвоении 316 стр. дивизии звания ГВАРДЕЙСКОЙ ДИВИЗИИ и награждении ее орденом "КРАСНОЕ ЗНАМЯ".
— Г.К. Жуков в битве под Москвой / Сборник документов. 1994
16 ноября левый фланг дивизии был атакован силами 2-й танковой дивизии немцев с задачей улучшить позиции для наступления 5 армейского корпуса, намеченного на 18 ноября. В центре обороны дивизии вспомогательный удар наносила 35-я пехотная дивизия. В то же время 316-я дивизия должна была участвовать в советском частном наступлении правого крыла 16-й армии на Волоколамск.
В тяжелых боях с превосходящими силами противника личный состав дивизии проявил массовый героизм. Именно в этот день произошли события у разъезда Дубосеково, которые стали известны как подвиг 28 героев-панфиловцев.
У разъезда Дубосеково расположилась 4-я рота 2-го батальона 1075-го стрелкового полка под командованием капитана П. М. Гундиловича и политрука В. Г. Клочкова. Утром 16 ноября немецкие танкисты провели разведку боем. По воспоминаниям командира 1075-го стрелкового полка полковника И. В. Капрова, «всего на участке батальона шло 10-12 танков противника. Сколько танков шло на участок 4-й роты, я не знаю, вернее, не могу определить… В бою полк уничтожил 5-6 немецких танков, и немцы отошли». Затем противник подтянул резервы и с новой силой обрушился на позиции полка. Через 40-50 минут боя советская оборона была прорвана, и полк, по сути, был разгромлен. Капров лично собирал уцелевших бойцов и отводил их на новые позиции. По оценке командира 1075-го стрелкового полка полковника И. В. Капрова, «в бою больше всех пострадала 4-я рота Гундиловича. Уцелело всего 20-25 чел. во главе с ротным из 140 чел. Остальные роты пострадали меньше. В 4-й стрелковой роте погибло больше 100 человек. Рота дралась героически.».
По воспоминаниям Зиновия Шехтмана, бывшего командира 1077-го полка, только «за два дня боев полк потерял 400 человек убитыми, 100 ранеными и 600 пропавшими без вести. От 4-й роты, оборонявшей Дубосеково, осталась едва ли пятая часть. В 5-й и 6-й ротах потери были ещё тяжелее». Всего в 1075-м стрелковом полку, в чью зону ответственности входил также и разъезд Дубосеково, на утро 16 ноября было 1534 человека.
Таким образом, остановить противника у разъезда Дубосеково не удалось, позиции 1075-го стрелкового полка были смяты противником, а его остатки отошли на новый оборонительный рубеж. По советским данным, в боях 16 ноября весь 1075-й полк подбил и уничтожил 9 танков противника.