3 января 1940 г. 1-й дивизион вновь развернули по штатам военного времени, и 19 января в составе бепо №15 и 31 он убыл в Гатчину, где находился до окончания советско-финляндской войны. 30 апреля дивизион вернулся в Киев, а уже 26 июня получил приказ выдвинуться на границу с Румынией и поддержать 51-ю стрелковую дивизию при взятии станции Бендеры. Ночью 29 июня станция была занята без боя, и 9 июля дивизион вернулся в Киев.
С началом Великой Отечественной войны 1-й отдельный дивизион бронепоездов был развернут до штатов военного времени и 23 июня 1941 г. в составе бепо №15, 17 (легкие) и №31 (тяжелый) убыл по маршруту Киев - Шепетовка - Ковель, где поступил в распоряжение 45-й стрелковой дивизии 15-го стрелкового корпуса. Уже 25 июня бронепоезда поддерживали огнем части корпуса, дав возможность планомерно отвести войска на новые позиции.
В течение 26 - 30 июня легкие бронепоезда №15 и 17 поддерживали части Красной Армии у станций Мациев и Ковель, а №31 - под Острогом. При этом огнем тяжелого бепо было подбито пять немецких танков.
5 июля 1941 г. из-за невозможности отхода (железная дорога была перерезана немцами) в районе станции Казатин был оставлен бронепоезд №31. Его команда в пешем порядке, совместно с 13-й железнодорожной бригадой, вела бои под Бердичевым и в самом городе.
8 июля 1941 г. у станции Мартыновка бронепоезд №17 попал под артобстрел противника, в результате чего одна бронеплощадка сошла с рельс, а путь оказался разбитым. Команда вела бой до последней возможности, после чего оставила разбитый состав. Через три дня ее вместе с командой бепо №31 отправили на переформирование в Киев.
Бронепоезд №15 с 13 июля по 2 августа вел бои под Коростенем, Владимир-Волынским, Житомиром и Малиным, поддерживая 19-й механизированный и 45-й стрелковый корпуса. После ремонта в Чернигове (к этому времени состав имел 12 сквозных пробоин от снарядов, не считая осколков) бепо действовал в районе Бехи, Брянска и Выблы. При этом только за 2 - 3 сентября из его орудий было выпущено 700 снарядов.
10 сентября 1941 г. бронепоезд подвергся сильной бомбежке немецкими самолетами, в результате чего получил серьезные повреждения: в шести местах пробит котел паровоза, в двух местах командирская рубка, пробиты две орудийных башни, повреждены все орудия и тележка первой бронеплощадки. Спустя три дня состав черным паровозом доставили для ремонта на Харьковский паровозоремонтный завод, но закончить работы не удалось - предприятие с 25 сентября начало эвакуацию в Воронеж. Сюда же отправили и бронепоезд №15.
10 октября 1941 г. от начальника управления бронепоездов полковника Чаброва был получен приказ о передаче бепо №15 для формирования нового дивизиона, а личный состав 1 -го дивизиона направлялся в Харьков для получения другой матчасти. Но в связи с эвакуацией предприятий города часть перенаправили в Москву, куда она прибыла 20 октября.
В депо станции Люблино Дзержинской железной дороги личный состав 1-го дивизиона принимал активное участие в достройке и вооружении одного из бронепоездов (типа НКПС-42), который начинал сооружаться на Харьковском паровозоремонтном заводе, затем эвакуировался на Воронежский ПРЗ, а оттуда в Москву. Этот состав был готов к 6 ноября 1941 г. (бронепаровоз Ов №5150, две двухбашенные 4-осных бронеплощадки, броня 35 - 40 мм не каленая, вооружение каждой - две 75-мм французские пушки обр. 1898 г. и шесть пулеметов ДТ). Второй бронепоезд для 1- го дивизиона начал строиться в депо Волноваха, а заканчивался и вооружался на Воронежском паровозоремонтном заводе (бронепаровоз Ов №6973, две двухбашенные 4- осных бронеплощадки, броня 35 - 40 мм не каленая, вооружение каждой - две 75-мм французские пушки обр. 1897 г. и четыре пулемета Максима). После небольших доделок в депо Люблино и укомплектования базы, 25 ноября 1941 г. по приказу наркома обороны 1-й дивизион бронепоездов (легкие бепо №17 и 31) убыл в Рязань, где вошел в состав войск группы генерал-лейтенанта Мишулина. До конца апреля 1942 г. дивизион действовал в районах Тула, Шекино, Шивцово, Шверково, Хрущево, Пронск в составе 50-й, а затем 10-й армии Западного фронта.
27 апреля 1942 г. бронепоезда придали 330-й стрелковой дивизии. Они действовали у разъезда Щигры и станции Фаянсовая (в районе города Киров). Так, 19 мая 1942 г. у станции Подписная дивизион поддерживал огнем свою пехоту, выпустив за 7 минут 500 снарядов. Ответным огнем противника бепо №31 получил попадание в командирскую рубку, но потерь в людях удалось избежать. 23 - 24 июня 1942 г. бронепоезда поддерживали огнем 1111- й стрелковый полк 330-й дивизии, который обеспечивал прорыв из окружения кавалерийской группы Белова. Дивизион выполнил свою задачу, отбив контратаки противника и подавив огонь немецкого бронепоезда.
27 августа 1942 г. огнем бронепоезда №17 был сбит немецкий самолет, который упал в 800 метрах от стоянки бепо. Летчики стали отстреливаться, один был убит, второй взят в плен. Всего за период с 28 апреля по 28 декабря 1942 г. в районе города Киров (10-я армия Западного фронта) огнем дивизиона было уничтожено более 200 солдат и офицеров противника, танк, 18 ДЗОТов, 2 артиллерийских и минометная батарея, сбит один и подбито два самолета.
