Когда после начала Великой Отечественной войны в округе начала формироваться 316-я стрелковая дивизия под командованием генерал-майора И. В. Панфилова, в конце июня старший лейтенант Б. Момышулы был назначен в неё командиром батальона 1073-го Талгарского стрелкового полка. После завершения формирования в Алма-Ате в конце августа убыл с дивизией на фронт. В сентябре 1941 года с дивизией был передан в 52-ю отдельную армию и строил оборонительный рубеж у Малой Вишеры.

В связи с катастрофическим началом битвы за Москву, 5 октября 316-я стрелковая дивизия была поднята по тревоге и срочно переброшена на волоколамское направление, куда её первые эшелоны стали прибывать 10 октября. В составе 16-й армии Западного фронта 316-я стрелковая дивизия стойко держала оборону, войдя в историю под именем «панфиловцев». Старший лейтенант Момышулы при обороне Москвы участвовал в 27 боях. За беспримерный и массовый героизм личного состава приказом народного комиссара обороны СССР от 18 ноября 1941 года дивизии было присвоено гвардейское звание и она получила наименование 8-я гвардейская стрелковая дивизия, а 1073-й стрелковый полк, в котором воевал Бауыржан Момышулы, стал 19-м гвардейским стрелковым полком.

Во время второго генерального наступления вермахта на Москву с 16 по 18 ноября 1941 года батальон старшего лейтенанта Бауыржана Момышулы в отрыве от дивизии героически сражался на Волоколамском шоссе у деревни Матрёнино. Умелое руководство комбата позволило на 3 дня задержать немцев на данном рубеже. После этого старший лейтенант Момышулы вывел батальон из окружения боеспособным.

Героический боевой путь батальона под командованием Бауыржана Момышулы описан в художественно-исторической книге Александра Бека «Волоколамское шоссе».