Личный состав был сильно измотан длительными беспрерывными маршами. Корпус прошел пешим порядком от Проскуровского до Остропольского укрепленного района от 80 до 100 километров. Подразделения дивизий сильно растянулись, имелись отставшие. Так, в 17-м мотоциклетном полку отстал отряд в 168 человек.
До 12 июля 1941 корпус не имел боевого соприкосновения с противником. 11 июля полоса обороны 216-й дивизии на участке: Старая Синявка, Юзефовка перешла к частям 72-й горно-стрелковой дивизии, выдвинутой сюда из резерва армии. После этой перегруппировки моторизованная дивизия укрепляла оборону на линии Юзефовка, устье реки Иква. Штаб соединения расположился в населенном пункте Крупин. 49-я танковая дивизия продолжала укреплять рубеж на участке устье реки Буг до Летичева, собирала отставших и уничтожала второстепенные переправы на Буге, минируя остальные. Штаб дивизии находился в лесу в 5 км восточнее Сусловцы. 45-я танковая дивизия сосредотачивалась во втором эшелоне в районе Росоха, Погорелое, М. Дьяковцы с задачей прикрыть латичевское направление. Штаб корпуса и корпусные часть — в лесу в районе Углы.
12 июля в полосе 24-ro корпуса появились разведывательные подразделения противника. В этот день управление 26-й армии было выведено в тыл, а все войска армии, в том числе 24-й механизированный корпус, перешли и распоряжение командующего 12-й армии генерал-майора Понеделнна. В связи с продолжавшимся отходом соседней 6-й армии, правый фланг 12-й армии постепенно загибался фронтом на северо-запад.
13 июля сдерживал наступление двух пехотных полков немцев на фронте Старая Синява, Новая Синява, Летичев.
Штаб корпуса размещался в Углах. 216-я дивизия оборонялась на фронте Старая Синява, Думенки; 45-я дивизия — сосредотачивалась в районе Россоховата; 49-я продолжала укрепляться на фронте: Думенки, Новоконстантинов, Летичев.
14 июля командир корпуса получил приказ № 04 штаба 12-й армии, в котором ему ставилась задача: прочно удерживая Летичевский УР (комендант — комбриг А. И. Якимович), отвести правый фланг корпуса в район Чидинновцы.
В ночь на 15 июля войска армии, в том числе 216-я моторизованная дивизия, были отведены в район Хмельник. К утру 216-я дивизия заняла рубеж: (иск.) Хмельник, Чудиновцы, Думенки. В этот день XXXXIX горный корпус противника смог прорвать Летичевский укрепленный район в четырех местах, для локализации прорывов были задействованы все армейские и корпусные резервы. 216-я дивизия, которую на рубеже Чудиновцы, Думенки сменила 45-я танковая дивизия, с утра 16 июля контратаковала противника в направлении Летичев, Казачки. Не встретив серьезного сопротивления противника, она выбила мелкие немецкие подразделения из Летичева и к 15 часам вела бой на рубеже Снитовка, Казачки, Варенка, правым флангом опираясь на укрепрайон.
К 17 июля противник развил свой успех и захватил Бар и Жмеринку. К 18 июля он подошел к Виннице. На фронте 6-й армии обстановка была еще хуже. Овладев Казатином, немцы вышли на коммуникации 6-й и 12-й армий. Этим войскам грозило окружение. С этого момента все действия советских войск были направлены на выход из-под немецких клещей. Нередко приходилось пробивать дорогу на восток с перевернутым фронтом.
17 июля 45-я танковая дивизия была выведена из состава корпуса и подчинена генерал-майору Владимирову, командиру группы, обороняющей Винницу. Немцы, планируя окружить войска 12-й армии западнее Буга, силами XXXIX горного корпуса предприняли наступление на Винницу — крупный узел коммуникаций, где находилось четыре моста через реку Буг. С запада наступала 4-я горно-егерская дивизия генерал-лейтенанта Эглзеера (Eglseer), по восточному берегу — 1-я горно-егерская дивизия генерал-майора Х. Ланца (Hubert Lanz).
18 июля 45-я танковая дивизия втянулась в бои на южной и юго-восточной окраинах, также в боях за город участвовали 99-я стрелковая и 60-я горно-стрелковая дивизии. Бои за город продолжались до утра 21 июля, когда части группы Владимирова оставили город. К этому времени соединения 12-й армии переправились через Южный Буг, избежав таким образом окружения. Большие потери в этих боях понесла 45-я танковая дивизия, был разгромлен штаб 90-го танкового полка, погиб его командир полковник Банчуков, дивизия практически перестала существовать как цельное соединение. Однако серьезные потери понес и противник — так, в 4-й горно-егерской дивизии погиб командир 13-го полка полковник Зорко.
В боях за город, как докладывал штаб 12-й армии Военному совету фронта, особенно отличился 17-й корпусной мотоциклетный полк.
После этого 24-й механизированный корпус, отступая через районы севернее Литина и Винницы, к 20 июля вышел в район Липовец. Развернувшись фронтом на восток, соединение начало пробивать дорогу основным силам 12-й армии. Наступая 49-й и 216-й дивизиями в направлении Френовка, Княже, Креница, корпус к 9:30 21 июля вышел на рубеж Кошланы, Яблуновица; 45-я танковая дивизия в 9:30 достигла передовыми частями районного центра Ильинцы. К исходу того же дня 216-я моторизованная дивизия овладела селом Подвысокое; 49-я танковая дивизия вошла в Монастырище, а 45-я танковая дивизия — в Дашев. Корпус наступал на сильно растянутые по фронту части 16-й танковой дивизии противника, причем был активно задействован автотранспорт (возможно, для выполнения задачи корпус был усилия армейским транспортом).
К 23 июля 1941 года корпус сосредоточился своими танковыми дивизиями в лесу западнее Монастырища, а моторизованной дивизией — на западной окраине Шабастовкн. В этот день части корпуса вели упорные бои с 16-й танковой дивизией XXXXVIII моторизованного корпуса, занявшей Монастырище, и смогли ненадолго освободить этот городок.
Штаб корпуса, в зависимости от обстановки постоянно перемещался. К утру 23 июля он расположился в Подвысоком; днем, когда разгорелись бои за Монастырище, он переместился на одноименную станцию. 24 июля штаб находился юго-западнее Шебастовки, 25 июля — на северной окраине Монастырища.
С 20:00 25 июля 12-я армия перешла в подчинение Южного фронта. Дальнейшее действия остатков корпуса проходили в условиях развала фронта и окружения главных сил 6-й и 12-й армий в районе Умани, когда вместо потерявших боеспособность соединений стихийно создавались различного состава отряды под командованием наиболее решительных и инициативных командиров.
К этому времени 216-я моторизованная дивизия была сведена в мотострелковый полк и подчинена группе генерал-майора Владимирова. В этой группе совместно с 99-й стрелковой действовала и 45-я танковая дивизия, сосредотачивалась в районе Сарны. В состав 24-го мехкорпуса, в котором фактически оставалась только 49-я танковая, была включена 58-я горно-стрелковая дивизия. В таком составе 25 июля корпус получил задачу ликвидировать цыбулевскую группировку противника и выйти на рубеж Бузовка, Шуляки. К исходу 25 июля корпус так и не смог выполнить поставленную задачу. 58-я дивизия залегла на окраине Матвеихи, встреченная девятью танками противника, 49-я дивизия была остановлена в 2 км южнее Цыбулева.
26 июля 216-й мотострелковый полк, оборонявший Шебастовку, оказался в составе 8-го стрелкового корпуса.
К концу июля корпус был восстановлен в прежнем составе: 45-я и 49-я танковые дивизии, 17-й мотоциклетный и 216-й мотострелковый полки. На 30 июля 1941 года 24-й МК имел 10 танков БТ, 64 танка Т-26, 2 химических танка, 20 бронеавтомобилей БА-10 и 5 — БА-20.
