Сформирована 25 мая 1942 г. в составе Московского военного округа на базе управления 58-й армии с непосредственным подчинением Ставке ВГК.

22 августа армия (12-й и 15-й танковые корпуса, 1-я гвардейская мотострелковая, 154-я и 264-я стрелковые дивизии, 179-я танковая бригада), усиленная 3-м танковым корпусом, была включена в состав Западного фронта и в этот же день нанесла контрудар по 2-й немецкой танковой армии в районе южнее г. Козельск. В результате контрудара противник понес большие потери и был вынужден перейти к обороне.

С 19 сентября до конца 1942 г. армия находилась в резерве Ставки ВГК в районе г. Плавск.

1 января 1943 г. она была передана в состав Воронежского фронта.

Участвовала в Острогожско-Россошанской наступательной операции, в феврале — в Харьковской наступательной, в марте — в Харьковской оборонительной операциях.

28 февраля переподчинена Юго-Западному фронту.

26 апреля 1943 г. 3-я танковая армия расформирована. Ее полевое управление реорганизовано в штаб 57-й армии в составе Юго-Западного фронта 2-го формирования.

Командующие: генерал-лейтенант Романенко П.Л. (май-сентябрь 1942 г.); генерал-майор, с января 1943 г. генерал-лейтенант Рыбалко П.С. (сентябрь 1942 г. — апрель 1943 г.).

Члены Военного совета: бригадный комиссар Савин В.Г. (август 1942 г. — март 1943г.); генерал-майор танковых войск Мельников С.И. (март-апрель 1943 г.).

Начальник штаба полковник, с ноября 1942 г. генерал-майор Бахметьев Д.Д. (май 1942 г. — апрель 1943 г.).