Сформирована 16 мая 1942 г. на основании приказа НКО СССР от 5 мая 1942 г. на базе управления и соединений ВВС Калининского фронта в составе 209,210,256-й истребительных, 212-й и 264-й штурмовых и 211-й бомбардировочной авиадивизий.

В июле поддерживала войска фронта в оборонительной операции в районе г. Белый, затем принимала участие в Ржевско-Сычевской (июль-август) и Великолукской (ноябрь 1942 г. — ноябрь 1943 г.) наступательных операциях. В феврале ее 1-й штурмовой и 1-й истребительный авиационные корпуса привлекались для поддержки войск Северо-Западного фронта в ходе Демянской наступательной операции. В марте армия обеспечивала боевые действия войск Калининского (с 20 октября 1-й Прибалтийский) фронта в Ржевско-Вяземской наступательной операции.

В августе-октябре участвовала в Смоленской стратегической наступательной операции, затем до конца 1943 г. в Невельско-Городокской наступательной операции. В результате проведенных операций были освобождены Смоленская область и северо-восточные районы Белоруссии. Одновременно армия выполняла задачи по обеспечению боевых действий партизан. Летом 1944 г. участвовала в Белорусской стратегической наступательной операции.

В сентябре-октябре поддерживала наступление войск 1-го Прибалтийского фронта на рижском и шяуляйском (до декабря) направлениях, способствовала прорыву обороны противника и разгрому его шяуляйской группировки и выходу советских войск на побережье Балтийского моря.

Ударами с воздуха препятствовала прорыву в Восточную Пруссию блокированных на Курляндском полуострове немецких войск группы армий «Север». В феврале 1945 г. 3-я воздушная армия перебазировалась на кенигсбергское направление и вошла в оперативное подчинение командующему 1-й воздушной армией в составе 3-го Белорусского фронта. Участвуя в Восточно-Прусской операции, армия содействовала разгрому и уничтожению группировки противника, прижатой к Балтийскому морю юго-западнее Кенигсберга, и овладению этим городом-крепостью.

7 мая армия передана в оперативное подчинение командующему войсками Ленинградского фронта и во взаимодействии с 15-й воздушной армией до окончания войны принимала участие в ликвидации курляндской группировки противника.

9 мая вновь включена в состав 3-го Белорусского фронта.

За годы войны 3-я воздушная армия произвела около 200 тыс. самолето-вылетов, уничтожив на земле и в воздухе 4 тыс. вражеских самолетов.

Тысячи воинов были награждены орденами и медалями, многие летчики удостоены звания Героя Советского Союза, а И.Ф. Павлов и А.С. Смирнов — дважды.

Командующие: генерал-майор авиации Громов М.М. (май 1942 г. — май 1943 г.); генерал-майор авиации, с сентября 1943 г. генерал-лейтенант авиации, с августа 1944 г. генерал-полковник авиации Папивин Н.Ф. (с мая 1943 г. — до конца войны).

Начальник штаба генерал-майор, с августа 1944 г. генерал-лейтенант Дагаев Н.П. (май 1942 г. -до конца войны).