Bộ chỉ huy đầu tiên của Đại đoàn: Vương Thừa Vũ - Đại đoàn trưởng kiêm Chính uỷ, Cao Văn Khánh - Đại đoàn phó. Tổ chức sư đoàn gồm: Trung đoàn 102 với tên truyền thống là Trung đoàn Thủ Đô; Trung đoàn 36 với tên truyền thống là Trung đoàn Bắc-Bắc; Trung đoàn 88 với tên truyền thống là Trung đoàn Tu Vũ

Ngày 28 tháng 11 năm 1955 Bộ Quốc phòng thành lập E38 pháo binh thuộc F308, tháng 2/1967 Trung đoàn được điều về Bộ nhận nhiệm vụ mới chỉ để lại 1 tiểu đoàn pháo mang vác phiên hiệu Tiểu đoàn 13. Do yêu cầu đánh lớn hiệp đồng binh chủng, ngày 12/12/1971 E58 pháo binh được thành lập và phát triển đến ngày nay.

Trong chiến tranh chống Pháp

Trong kháng chiến chống Pháp F308 đã tham gia 13 chiến dịch. Tiêu biểu trong chiến dịch Điện Biên Phủ: Mở đầu là trận tiêu diệt địch ở đồi Độc Lập, rồi bức hàng quân Pháp ở đồi Bản Kéo góp phần đập tan tấm lá chắn phía bắc. Tiếp đó, với trận chiến đấu quyết liệt trên đồi A1, đại đoàn tham gia cùng các đơn vị bạn phá vỡ khu phòng ngự phía đông của tập đoàn cứ điểm địch, vừa đánh vừa phản kích, phụ trách cánh quân phía tây

Trong chiến tranh chống Mỹ

Sư đoàn này huấn luyện quân chính quy cho các trung đoàn hoàn chỉnh và lần lượt gửi quân đến từng mặt trận. Các đơn vị đầu tiên của Sư đoàn hành quân rời miền Bắc vào chiến trường miền Nam chiến đấu từ cuối tháng 12/1965.

Sư đoàn trực tiếp tham gia 3 chiến dịch: chiến dịch Khe Sanh, Đường 9 Nam Lào và Đông Hà Quảng Trị.

Đầu năm 1968, F308 hành quân vào chiến trường Quảng Trị, tham gia đợt 4 trong chiến dịch Đường 9 - Khe Sanh. Hơn một tháng, đã đánh hàng chục trận, quy mô từ đại đội đến tiểu đoàn, nhiều trận chủ động đánh địch ban ngày, loại khỏi vòng chiến đấu gần 2.000 TQLC Mỹ, bắn rơi 39 máy bay, phá hủy 11 khẩu pháo, cối các loại cùng nhiều vũ khí, khí tài của Mỹ.

Suốt 52 ngày đêm tham gia chiến dịch Đường 9 - Nam Lào, F308 tiêu diệt 4.023 binh sĩ, bắt sống 127, diệt gọn thiết đoàn 17 QLVNCH và 4 tiểu đoàn, đánh thiệt hại nặng liên đoàn 1 biệt động quân và tiểu đoàn 1 dù, phá hủy 337 xe các loại (có 205 xe tăng và xe bọc thép, 48 khẩu pháo, cối cỡ lớn, thu gần 500 súng các loại, cùng hàng chục tấn vũ khí đạn dược, trang bị kỹ thuật.

Năm 1972, QĐNDVN mở chiến dịch xuân-hè, sư đoàn tham gia hướng Trị - Thiên, đã tiêu diệt cụm cứ điểm Đông Hà - Lai Phước, được coi là điểm mốc của cuộc tiến công, một trận đánh hiệp đồng binh chủng quy mô lớn nhất của QĐNDVN tính đến lúc đó. Trong đợt 2 chiến dịch, F308 cùng các đơn vị tăng cường, trong thế tiến công chung của chiến dịch, đã giữ chân quân lực Việt Nam Cộng hòa (khi đó QLVNCH được không quân và pháo hạm Mỹ chi viện). Trong đợt, Sư đoàn 308 và các đơn vị tăng cường diệt 3.500 binh sĩ, bắt 322, phá hủy 110 xe tăng, xe bọc thép, bắn rơi 45 máy bay, thu 5 pháo lớn và nhiều xe quân sự, làm tan rã 3 trung đoàn bộ binh, 2 thiết đoàn xe tăng thiết giáp. Tổng cộng, sau gần một năm chiến đấu trên chiến trường Quảng Trị với nhiều đợt kế tiếp, Sư đoàn đã đánh gần 800 trận lớn nhỏ từ một tổ, một tiểu đội đến tiểu đoàn, trung đoàn và sư đoàn tăng cường, loại bỏ hơn 10 nghìn binh sĩ đối phương, phá hủy và thu 151 xe tăng thiết giáp, 17 khẩu pháo từ 105 ly đến 155 ly, bắn rơi 23 máy bay các loại.

Tuy nhiên, tại Quảng Trị, đơn vị cũng chịu tổn thất lớn về sinh mạng, chịu thương vong trên 70% lực lượng. Nhiều cấp đại đội, tiểu đoàn phải thay thế cán bộ chỉ huy 6,7 lần, Những đại đội tiền tiêu đều bị xóa sổ và thay mới quân số (trong hồi ký, có trận "không còn ai là cán bộ, chiến sĩ có mặt từ đầu").

Ngày 24/10/1973, bộ chính trị chủ trương thành lập quân đoàn 1 QĐNDVN (binh đoàn Quyết Thắng) và rút sư đoàn 308 về miền bắc tổ chức đội hình. Trong Chiến dịch Hồ Chí Minh, Sư đoàn 308 được phân công ở lại miền bắc, trong khi toàn bộ quân đoàn 1 được chở thẳng đến tỉnh Sông Bé. Theo chiến thuật của QĐNDVN, sư đoàn 308 làm nhiệm vụ "cận vệ" và nghi binh, cũng là lực lượng dự bị chiến lược. Trên thực tế, sư 308 đang công tác đê điều khắc phục bão lụt nên chưa di chuyển kịp tình hình, được thống nhất "phân công ở lại".

Ngày 28 Tháng 8 năm 1979, sư đoàn được chuyển thành sư đoàn bộ binh cơ giới đầu tiên của Quân đội nhân dân Việt Nam.(Quyết định số 705/QĐ-TM do thượng tướng Lê Trọng Tấn thứ trưởng Bộ Quốc phòng, Tổng Tham mưu trưởng Quân đội NDVN ký)

Nhiệm vụ chính trị trung tâm hiện nay của Sư đoàn là: huấn luyện SSCĐ, huấn luyện chiến sĩ mới, huấn luyện dự bị động viên, làm nhiệm vụ đối ngoại quân sự, tổ chức quản lý, khai thác, bảo quản, giữ gìn một khối lượng lớn VKTBKT với nhiều chủng loại bảo đảm sức chiến đấu thường xuyên và lâu dài của Sư đoàn. Truyền thống Quân Tiên Phong được đúc kết trong 14 chữ vàng: "Tiên phong, anh dũng, đoàn kết, kỷ luật, thần tốc, Quyết chiến, Quyết thắng"