Сформирована 14 мая 1943 г. в резерве Ставки ВГК.

В нее вошли 12-й и 15-й танковые корпуса, 91-я танковая бригада и ряд отдельных частей, в последующем и 2-й механизированный корпус.

14 июля армия была сосредоточена в районе г. Новосиль, включена в Брянский фронт 3-го формирования и в его составе участвовала в Орловской стратегической наступательной операции. 27 июля вошла в состав Центрального фронта. За успешные боевые действия в ходе операции 12-й и 15-й танковые корпуса армии преобразованы соответственно в 6-й и 7-й гвардейские танковые корпуса, а 2-й механизированный корпус — в 7-й гвардейский механизированный корпус.

15 августа выведена в резерв Ставки ВГК, 10 сентября включена в Воронежский (с 20 октября 1 -и Украинский) фронт, в составе которого с небольшим перерывом действовала до конца войны. В ходе освобождения Левобережной Украины ее соединения 22 сентября первыми во фронте вышли к Днепру и форсировали его в районе г. Великий Букрин.

После перегруппировки с букринского на лютежский плацдарм армия участвовала в Киевской наступательной операции, в ходе которой во взаимодействии с 38-й армией освободила Киев (6 ноября) и Фастов (7 ноября). Во второй половине ноября — декабре ее войска вели тяжелые оборонительные бои с группировкой противника, перешедшей в контрнаступление из района юго-западнее Фастова. Успешно действовала армия в Житомирско-Бердичевской наступательной операции 1943-1944 гг. и Проскуровско-Черновицкой наступательной операции 1944 г. Преодолевая ожесточенное сопротивление противника, ее войска прошли с боями около 300 км и во взаимодействии с другими армиями фронта нанесли тяжелое поражение немецким 1-й и 4-й танковым армиям.

В Львовско-Сандомирской стратегической наступательной операции армия, действуя в составе ударной группировки фронта, к 20 июля через колтовский коридор вышла к Львову. Попытка овладеть городом с ходу успеха не имела. Совершив в короткий срок марш-маневр в обход Львова с севера, армия вышла в район Яворов, Мостиска, Судовая Вишня и отрезала пути отхода львовской группировке противника на запад. В конце июля армия главными силами развивала наступление на Перемышль, а частью сил вела бои за Львов. В августе ее войска вели бои на сандомирском плацдарме. 7 сентября выведена в резерв Ставки ВГК, 28 октября вновь включена в состав 1-го Украинского фронта.

В ходе Сандомирско-Силезской операции 1945г. армия к концу первого дня наступления (12 января) завершила прорыв тактической зоны обороны противника, затем разгромила его оперативные резервы и, развивая наступление, 23 января вышла к р. Одер, форсировала его севернее и южнее Оппельна и захватила небольшие плацдармы. В последующем в целях ускорения освобождения Силезского промышленного района 3-я гвардейская танковая армия была повернута на юго-запад и 24 января во взаимодействии с 21-й армией овладела г. Оппельн, а 27 января вышла в тыл силезской группировке противника.

В феврале армия участвовала в Нижнесилезской наступательной операции, в апреле — начале мая — в Берлинской стратегической операции.

Свой боевой путь завершила в Пражской операции.

За боевые заслуги десятки тысяч ее воинов были награждены орденами и медалями, 287 присвоено звание Героя Советского Союза, а В.С. Архипов, А.А. Головачев, Н.И. Горюшкин, Д.А. Драгунский, П.С. Рыбалко, З.К. Слюсаренко, С.В. Хохряков и И.И. Якубовский удостоены этого звания дважды.

Командующий генерал-лейтенант, с 30 декабря 1943 г. генерал-полковник танковых войск Рыбалко П.С. (май 1943 г. -до конца войны).

Член Военного совета генерал-майор танковых войск, с мая 1944 г. генерал-лейтенант танковых войск Мельников С.И. (май 1943 г. — до конца войны).

Начальники штаба: генерал-майор танковых войск Митрофанов В.А. (май 1943 г.-март 1944 г.); генерал-майор танковых войск Бахметьев Д. Д. (март 1944 г. — до конца войны).