Сформирована 25 февраля на основании директивы Генерального штаба от 10 февраля 1943 г. в резерве Ставки ВГК.

В нее вошли 3-й гвардейский и 29-й танковые, 5-й гвардейский механизированный корпуса, 994-й легкобомбардировочный авиационный полк, ряд артиллерийских, других соединений и частей.

До завершения формирования в связи с прорывом противника в районе Харькова 3-й гвардейский танковый корпус был выведен из состава армии и направлен на Воронежский фронт: С 6 апреля армия входила в состав Резервного фронта (с 15 апреля Степного военного округа). Находясь в районе сосредоточения юго-западнее г. Старый Оскол, 9 июля была передана Воронежскому фронту.

В оборонительный период Курской битвы ее войска, усиленные 2-м гвардейским и 2-м танковыми корпусами, во встречном танковом сражении в районе Прохоровки остановили продвижение ударной группировки противника и нанесли ей значительный урон.

В ходе Белгородско-Харьковской стратегической операции, действуя в составе Воронежского (с 9 августа Степного) фронта, во взаимодействии с войсками других армий нанесла поражение сильной группировке противника и продвинулась на глубину 120 км.

10 сентября выведена в резерв Ставки ВГК, 7 октября включена в Степной (с 20 октября 2-й Украинский) фронт, в составе которого в октябре-декабре вела напряженные бои по расширению плацдарма на реке Днепр юго-восточнее г. Кременчуг.

В первой половине января 1944 г. приняла участие в Кировоградской, в конце января — начале апреля в Корсунь-Шевченковской и Уманско-Ботошанской наступательных операциях. В ходе их проведения войска армии прошли с боями около 500 км; участвовали в разгроме крупных группировок противника в районах Кировограда и Корсунь-Шевченковского, в форсировании рек Южный Буг, Днестр и Прут, освобождении городов Кировоград (8 января), Звенигородка (28 января) и Умань (10 марта).

23 июня, после непродолжительного нахождения в резерве Ставки ВГК, армия включена в 3-й Белорусский фронт, в составе которого участвовала в Белорусской стратегической операции. Введенные в сражение 25 июня в полосе наступления 5-й армии соединения и части 5-й гвардейской танковой армии разгромили в районе г. Крупки выдвигавшуюся навстречу усиленную 5-ю танковую дивизию противника и вышли к р. Березина севернее и южнее Борисова. После освобождения Борисова (1 июля) развивала наступление в направлении Минск, Вильнюс. С 26 июля соединения и части армии вели наступательные бои с целью завершения освобождения территории Литовской ССР и выхода к границам Восточной Пруссии.

17 августа армия передана 1-му Прибалтийскому фронту, в октябре участвовала в Мемельской наступательной операции, 20 октября выведена в резерв Ставки ВГК.

В 1945 г. в составе 2-го (с 8 января), затем 3-го (с 11 февраля) Белорусских фронтов армия принимала участие в Восточно-Прусской стратегической операции. Введенная в прорыв 17 января в полосе 48-й армии 5-я гвардейская танковая армия к исходу дня достигла Млавского укрепленного района, к утру 19 января разгромила оборонявший его гарнизон и, развивая наступление в направлении на Эльбинг, 25 января вышла к заливу Фришес-Хафф (Вислинский), перерезав основные коммуникации группы армий «Центр». В конце января-феврале армия участвовала в отражении контрударов противника, пытавшегося отбросить советские войска от побережья и восстановить свои сухопутные коммуникации.

В начале апреля вместе с приданным 98-м стрелковым корпусом и 1-й Польской танковой бригадой вела бои по ликвидации остатков немецких войск в районе устья р. Висла, где и встретила День Победы.

За ратные подвиги в годы войны свыше 38 тыс. воинов армии награждены орденами и медалями, более 50 из них присвоено звание Героя Советского Союза.

Командующие: генерал-лейтенант танковых войск, с октября 1943 г. генерал-полковник танковых войск, с февраля 1944 г. маршал бронетанковых войск Ротмистров П.А. (февраль 1943 г. — август 1944 г.); генерал-лейтенант танковых войск Соломатин М.Д. (август 1944 г.); генерал-лейтенант танковых войск, с октября 1944 г. генерал-полковник танковых войск Вольский В.Т. (август 1944 г. — март 1945 г.); генерал-майор танковых войск Синенко М.Д. (март 1945г. — до конца войны).

Член Военного совета генерал-майор танковых войск Гришин П.Г. (апрель 1943г. — до конца войны).

Начальники штаба: полковник, с июня 1943 г. генерал-майор танковых войск Баскаков В.Н. (апрель 1943 г. — май 1944 г.); генерал-майор танковых войск Калиниченко П.И. (май-ноябрь 1944 г.); генерал-майор танковых войск Сидорович Г.С. (ноябрь 1944 г. — до конца войны).