Сформирована 1 сентября 1939 г. в составе Белорусского Особого военного округа на базе Витебской армейской группы войск. С началом Великой Отечественной войны армия (4-й стрелковый и 11-й механизированный корпуса, 68-й укрепленный район, 7-я артиллерийская бригада ПТО, ряд артиллерийских и других частей) в составе Западного фронта вела тяжелые оборонительные бои в районах Гродно, Лида, Новогрудок.

В конце июня 1941 г. численно превосходящим силам противника удалось прорваться в район Минска и отрезать ее войска от других сил фронта. До начала июля соединения и части армии героически сражались в тылу противника, сковывая его значительные силы. В последующем большая часть войск армии с боями вышла из окружения, некоторые ее части остались в тылу противника, где вели партизанские действия.

После выхода из окружения 3-я армия с 5 июля находилась в распоряжении Ставки ВГК, была доукомплектована и 1 августа включена в Центральный фронт, с 25 августа ее войска переданы в состав 21-й армии Брянского фронта, а затем армия была укомплектована за счет войск 13-й и 50-й армий фронта. Участвовала в Смоленском сражении, Орловско-Брянской оборонительной операции.

В ноябре ее соединения и части в составе Юго-Западного фронта (с 11 ноября) продолжали вести оборонительные бои и к 5 декабря отошли на рубеж юго-восточнее Богородицка, восточнее Ефремова.

С переходом войск Красной Армии в контрнаступление под Москвой 3-я армия участвовала в Елецкой операции и освобождении г. Ефремова (13 декабря).

Продолжая развивать наступление в составе Брянского фронта 2-го формирования (с 24 декабря), к концу декабря вышла на правый берег р. Зуша восточнее Орла, где перешла к обороне.

В последующем, обороняя занятый рубеж, до лета 1943 г. периодически предпринимала наступательные действия, с ограниченными целями и на ряде участков улучшила свое положение. 13 марта 1943 г. армия включена в Центральный фронт 2-го формирования, 27 марта — в Орловский фронт (с 28 марта Брянский фронт 3-го формирования).

В июле-августе 1943 г армия участвовала в Орловской стратегической наступательной операции, в сентябре — начале октября — в Брянской наступательной операции, при завершении которой вышла на левый берег р. Сож в районе г. Пропойск (Славгород). С 8 октября передана Центральному (с 20 октября Белорусский, с 24 февраля 1944 г. 1-й Белорусский) фронту и в их составе вела боевые действия в Гомельско-Речицкой (ноябрь 1943 г.) и в Рогачевско-Жлобинской (февраль 1944 г.) наступательной операциях.

6 апреля армия включена в состав Белорусского фронта 2-го формирования, 17 апреля 1-го Белорусского фронта 2-го формирования, 5 июля 2-го Белорусского фронта 2-го формирования.

Во второй половине 1944 г. войска армии участвовали в освобождении Белоруссии и восточных районов Польши, в Бобруйской, Минской и Белостокской наступательных операциях. Прошли с боями свыше 500 км и освободили города Новогрудок (8 июля), Волковыск (14 июля), Белосток (27 июля), Остроленка (6 сентября) и Ломжа (13 сентября), в дальнейшем вышли к р. Нарев и заняли оборону на рубеже Остроленка, Ружаны.

В январе 1945 г. в ходе Млавско-Эльбингской операции армия наступала в составе ударной группировки фронта с ружанского плацдарма в направлении Вилленберг (Вельбарк), Мельзак (Пененжно).

10 февраля вошла в 3-й Белорусский фронт, в составе которого в марте принимала участие в ликвидации восточно-прусской группировки противника юго-западнее Кенигсберга (Калининград).

В начале апреля 3-я армия была выведена в резерв фронта, передислоцирована в район юго-восточнее Кюстрина, 16 апреля включена в 1-й Белорусский фронт 2-го формирования и в его составе участвовала в Берлинской операции.

Боевые действия закончила 8 мая на Эльбе северо-восточнее Магдебурга.

В августе 1945 г. армия была расформирована.

Командующие: генерал-лейтенант Кузнецов В.И. (июнь 1939 г. — август 1941 г.); генерал-майор Крейзер Я.Г. (август-декабрь 1941 г.); генерал-лейтенант Пшенников П.С. (декабрь 1941 г.); генерал-лейтенант Батов П.И. (декабрь 1941 г. — февраль 1942 г.); генерал-майор Жмаченко Ф.Ф. (февраль-май 1942 г.); генерал-лейтенант Корзун П.П. (май 1942 г. — июнь 1943 г.); генерал-лейтенант, с июня 1944 г. генерал-полковник Горбатов А.В. (июнь 1943 г. — до конца войны).

Члены Военного совета: армейский комиссар 2 ранга Бирюков Н.И. (апрель-август 1941 г.); дивизионный комиссар Шлыков Ф.И. (август 1941 г. — апрель 1942 г.); бригадный комиссар, с декабря 1942 г. генерал-майор, с ноября 1944 г. генерал-лейтенант Конов И.П. (апрель 1942 г. — до конца войны).

Начальники штаба: генерал-майор Кондратьев А.К. (сентябрь 1939 г. — июль 1941 г.); генерал-майор Жадов А.С. (август 1941 г. — май 1942 г.); генерал-майор, с сентября 1944 г. генерал-лейтенант Ивашечкин М.В. (май 1942 г. — до конца войны).