1950年10月15日軍委裝甲兵委派坦克1師參謀長孫三率領由坦克第１、第２師調來的八十五名幹部，九十五名坦克乘員到達四平市，同時各大軍區、各野戰軍、坦克學校抽調部分連隊和人員3615人也陸續到達四平市。
1950年11月8日，中央軍委命令，以西北軍區獨立第１師（欠第２團、山炮營、騎兵連）、西北軍區炮兵教導團部分分隊為基礎，與坦克第１、第２師調來的八十五名幹部，九十五名坦克乘員為基礎，從各大軍區、各野戰軍、坦克學校抽調部分連隊和人員，在吉林省四平市組建坦克第３師。師機關設司令部、政治部、後方勤務處和技術處。下轄坦克第５、第６團，摩托化步兵團、炮兵團，以及直屬高炮營、偵察營、運輸營、工兵營、衛生營、警衛連、通信連、化學連、坦克修理廠、汽車修理廠、修炮廠等分隊。
1950年11月29日進行整編，其中原西北軍區獨立第１師司令部、政治部分別改編為坦克第３師司令部、政治部；原獨立第１師供給部、衛生部合編為坦克第３師後方勤務處；技術處由坦克1師調來的10餘名幹部為技術組成。
各部整編情況如下：
原步兵第１團（欠1個建制營部）改編為摩托化步兵團；
原步兵第３團機關一分為二編為坦克第５、第６團司令部、政治處和後方勤務處；
原步兵第３團１營改編為師直屬偵察營，２營改編為師直屬工兵營，３營部改編為師直屬高炮營營部，所轄７連改編為師直屬警衛連，８、９連改編為運輸營；
原獨立第１師直屬警衛連、通信連合編為師直屬通信連；
原獨立第１師野戰醫院改編為師直屬衛生營。除坦克第５、第６團的坦克、自行火炮以坦克第１、第２師及坦克學校調來的幹部、成員為骨幹組成外，其餘各建制單位分別由西北軍區炮兵教導團直屬隊及４營，以及步兵第２２軍第６６師、第２９軍第８６師、第３２軍第９５師調來的部分建制連改編。全師編53個建制連隊，6774人，裝備日式戰車20輛，日90式75野炮6門，高射機關炮48門，運輸汽車35輛，特種車28輛，通信指揮車1輛，原坦克1師參謀長孫三為代師長；西北軍區獨立1師師長李治洲為代政委，全師部隊除摩托化步兵團駐防八面城鎮外，均駐四平市。
其中師直屬高炮營營部由西北軍區獨立1師3團3營營部改編，所屬4個連由華東軍區22軍66師198團調來的建制連隊改編；師化學連以東北軍區防化訓練大隊調來的64名學員組成，於1951年3月初完成整編工作。
1950年12月1日中央軍委任命孫三為師長；李治洲為政委。
1951年1月9日奉東北軍區命令，坦克3師劃歸東北軍區裝甲兵（1955年2月改稱瀋陽軍區裝甲兵）建制。
1951年2月22日蘇軍兩個坦克團裝備全部移交坦克第5、6團。
1951年3月21日總參統一全軍裝甲部隊名稱，坦克3師改稱戰車第3師，坦克第5、6團改稱戰車第5、6團。
1951年10月1日戰車5、6團分別參加北京和瀋陽國慶閱兵式．
1951年11月26日坦克3師工兵營配屬戰車1師入朝參戰。
1951年12月17日師高炮營入朝配屬高炮63、64師作戰。20日（入朝第二天）2、3連在朝鮮東泛、仁平地區僅以37高炮25發炮彈擊落敵機1架，擊傷2架。1952年5月6日高炮營3連、5連（坦克獨立2團高炮連）在保衛順川風下車站鐵路橋作戰中擊落7架，擊傷17架敵機。1952年7月高炮營在德修洞伏擊戰中擊落8架，擊傷13架敵機。1953年4月16日-17日高炮營3連在甘水峰西北265高地保障坦克6團作戰時先後擊落、擊傷各4架敵機。
1952年6月1日中央軍委下達戰車3師入朝接替戰車1師參戰的預先號令，並以戰車2師領導機關組成志願軍裝甲兵指揮所（1953年1月改城志願軍裝甲兵第一指揮所）。下轄戰車4（戰車2師4團）、5、6團和東北軍區戰車獨立1團。編有12箇中型坦克連，4個重型坦克連，4個122自行火炮連、4個工兵營、2個高炮營、1個獨立高炮連共10029人，計有中型坦克116輛，重型坦克21輛，122自行火炮16輛，輪胎車輛439台。
6月24日戰車5團到達開城地區，接替戰車1師1團防務，配屬65、47軍作戰，7月4日戰車6團入朝到達朔寧地區，接替戰車2團防務，配屬39軍作戰，8日師機關及直屬隊到達朝鮮蒼陽洞地區，接替原裝甲兵指揮所及戰車1師直屬隊防務，9月28日摩托化炮兵團野炮營入朝到達鐵山半島地區，配屬50軍。
1952年6月摩托化步兵團由八面城鎮移駐四平市。
1952年7月5日戰車3團2連在接防的第2天，就奉命以4輛中型坦克參加40軍對梅峴里反擊戰，壓制敵115榴彈炮群（12門）。
1952年7月17日戰車6團1、5連11輛坦克、自行火炮支援39軍115師343團全殲上浦防東山（老禿山）之敵。
1952年9月6日-10月9日戰車5團2、3、4連配合步兵65軍194師582團西場裡北山和"67"高地爭奪戰，這是戰車3師使用坦克較多、戰果較大的一次戰鬥。
1952年9月17日-21日戰車6團1連7輛坦克和5連4輛自行火炮支援步兵39軍115師345團進攻老禿山。
1953年1月20日摩托化炮兵團團直及榴彈炮營入朝到達宜川蓬山洞地區配屬148師擔負海岸防禦任務，25日摩托化步兵團1、2營入朝，配屬戰車5、6團執行工程保障任務。
1953年3月24日總參命令，志願軍戰車3師改稱坦克3師，戰車5、6團改稱坦克5、6團。
1953年3月23日-28日坦克6團1、5連9輛坦克支援47軍433團進攻老禿山。
1953年6月摩托化炮兵團（欠2營）支援步兵181師反擊973高地守敵。
1953年6月26日坦克6團1、5連以14輛坦克支援7師19、20團進攻198高地和笛音里西山。
1953年7月摩托花炮兵團金城戰役中配屬68軍203師殲美軍榴炮555營（欠1個連）和李偽軍白虎團。
1954年3月4日總參決定將坦克3師全部防務及大部分裝備移交新指揮所及所屬坦克獨立5團、8團。5月17日交接完畢，全師移交中型坦克56輛、牽引車5輛、其他車輛 241輛。
1954年4月全師分三批回國；第一批先遣設營和接裝人員358人於4月10日至14日陸續從朝鮮出發，15日設營人員抵達四平，22日接裝人員抵達徐州，經過6天緊張工作，於5月8日攜帶坦克19輛、輪胎車輛71台安全抵達四平。
第二批首長機關、坦克5、6團及部分師直分隊2012人，於4月27日出發，攜帶重型坦克8輛、122自行火炮7輛、37高炮12門，各種輪胎車輛76台、5月4日抵達四平。
第三批摩托化步兵團和部分師直分隊2273人，於5月18日出發，攜帶各種輪胎車輛14台，22日抵達四平。至此全師入朝參戰部隊（除摩托化炮兵團繼續執行戰鬥任務外）回到祖國四平。
1954年5月22日軍委裝甲兵命令志願軍坦克3師歸國後，改稱中國人民解放軍坦克第3師，隸屬東北軍區裝甲兵領導。
坦克3師抗美援朝中先後配屬65、47、39、50、40、60、67、68、1軍作戰，參加戰鬥267次（其中高炮營參戰202次），擊毀傷坦克22輛，擊落飛機20架，擊傷敵機54架。
1954年11月19日進行整編，師增編修理營、防化連和炮兵指揮排；醫院改稱衛生營；摩托化步兵團撤消技術處和團屬工兵連、高機連；增編75無坐力炮連、運輸排；修理連改編為軍械、汽車修理所；衛生隊改稱衛生連。摩托化炮兵團撤消技術處；增編軍士教導連；修理連改編為軍械、汽車修理所；運輸連縮編為運輸排。12月15日整編結束後，師轄54個建制連隊，5902人。先後接重型、中型坦克61輛，輕型坦克10輛、分別編配坦克5、6團和師偵察營。
1955年2月15日坦克5團由四平市移防四平市郊區楊木林。
1955年2月中旬摩托化炮兵團回國，駐地楊木林。
1955年3月16日師在楊木林組建師坦克乘員教導營，主要擔負分隊坦克乘員的培訓任務。
1956年10月21日至30日師司令部和坦克5團參加軍區組織的遼東半島防禦作戰演習。
1958年2月24日師按《獨立坦克師平時編制表》進行整編，坦克5、6團分別撤消重型坦克連和自行火炮連；成立了3個坦克營，每營2個坦克連，並增建團直通信連和37高炮連。摩托化步兵團改稱機械化步兵團，團增編技術處。摩托化炮兵團改稱122榴彈炮兵團。
將從第一機械化師調來的3箇中型坦克連（含裝備）分別編入坦克5、6團和機械化團。同時將坦克團的2個122自行火炮連、2個122重型坦克連（含裝備）調往第一機械化師。整編後全師編有82個建制連隊，5803人。補充T34坦克36輛，特種車4輛，運輸汽車126輛，82迫擊炮19門，85加農炮4門，122榴彈炮12門，57防坦克炮12門，37高炮8門。
1960年12月10日瀋陽軍區授予坦克5團2營4連"政治思想工作紅旗連"；授予機械化步兵團1營3連"學習毛澤東著作先鋒連"；授予機械化步兵團1營3連排長廖初江"學習毛澤東著作尖兵"稱號。
1961年10月坦克5團2營6連被軍委裝甲兵樹為"射擊標兵連"。
1962年2月師直高炮營及坦克5、6團和機械化步兵團團屬高炮連開赴遼寧省丹東地區執行防空任務，1968年8月15日解除任務歸建，歷時7年。
1962年10月20日-11月3日按《坦克師編制表》進行整編，122榴彈炮團改稱炮兵團，以機械化步兵團3個步兵營的57防坦克炮連組建3營，即85加農炮營（1965年2月裝備國產85加農炮12門）。
1963年1月1日起坦克5團擔任軍委戰備值班團任務。1971年6月解除戰備值班任務，歷時7年半。
1965年8月中旬至11月14日師陸續換裝國產59式坦克138輛（其中59式坦克牽引車10輛），分別裝備坦克5、6團和師修理營。調出T34坦克96輛，分別移交陸軍190師和坦克獨立1團。
1967年1月17日在遼寧省丹東市東溝縣椅圈公社組建坦克3師高炮團。主要以師高炮營（4個37炮連、1個高機連）為基礎，抽調坦克5、6團和機械化步兵團高炮連組成，轄8個建制連，806人，團長張國牌，政委李乾卿。
1967年6月炮兵團由四平市郊楊木林乙方懷德縣公主嶺鎮原步兵32師炮兵團營房。
1967年7月坦克6團由四平市移防梨樹縣石嶺鎮原步兵141團營房。
1968年8月25日高炮團解除丹東市防空任務，31日撤出丹東市，9月1日抵達四平歸建。
1968年9月1日-10月14日高炮團在四平楊木林擴編，新組建兩個營部。原師高炮營的5個連隊編為1營；原坦克5、6團和機械化步兵團的高炮連及從坦克獨立1團調入的1個高炮連編為2營，火炮由4門制改為6門制。
1968年10月15日-17日高炮團分6個梯隊由四平出發，經4600公里的鐵路輸送和108公里摩托化行軍，於10月24日到達雲南省玉溪地區待命。隸屬昆明軍區第五支隊建制，代號705大隊。1969年3月7日由雲南尚勇地區分三批進入寮國，負責我工程第五支隊築路工程任務的對空保障。
1969年4月4日中央軍委命令將陸軍第39軍坦克自行火炮第321、322團轉隸坦克3師。這兩個團分別編1個坦克營、1個自行火炮營、1個指揮連、1個修理連、1個運輸排。坦克自行火炮第321團駐地遼寧海城縣，坦克自行火炮第322團於4月15日由遼寧瓦房店移防駐地吉林省遼源市山灣公社。
1969年8月18日坦克3師坦克5、6團，坦克自行火炮第321、322團依次改稱坦克9、10、11、12團。
1969年8月22日高炮團3、7、9連在寮國孟寨地區擊落、擊傷各1架敵機。
1969年10月19日起坦克3師擔負軍區戰備值班任務，1971年解除戰備值班任務。
1969年12月2日、16日高炮團2營在寮國班納昏地區擊落2架L-23偵察機，擊傷1架。
1970年1月6日2營在撤出陣地回國前幾小時擊落L-23偵察機1架。
1970年1月4日-10日高炮團1600餘人，攜帶汽車198台，火炮48門分4個梯隊經1054公里行軍回國，於15日到達昆明。25日-29日回到四平歸建。先後擊落3架，擊傷5架敵機。
1970年3月10日坦克11團由遼寧海城移防四平市郊半拉山門。
1970年5月5日奉總參命令撤消高炮團，團機關和2營調高炮74師，原師直高炮營、坦克9、10、機械化步兵團、坦克獨立團高炮連歸建。
1976年3月1日-5月30日按《陸軍甲種坦克師編制表》進行整編，機械化步兵團改稱裝甲步兵團。
1977年12月瀋陽軍區樹立坦克9團4連和坦克10團通信連為"硬骨頭六連式連隊"。
1979年2月23日為了配合中越邊境自衛還擊作戰，坦克3師戰備機動。
1982年12月師運輸營改稱汽車營；團運輸連改稱汽車連；炮兵團修理所改稱修理連。
1983年1月1日零時轉隸陸軍第39軍建制。
1985年10月15日按《集團軍坦克師編制表》進行整編，機械化團改稱機械化步兵團，撤消1個步兵營，其餘兩個步兵營擴編為3個裝甲步兵連。師偵察連擴編為偵察營。
1986年11月瀋陽軍區授予坦克10團炮兵營3連"抗洪搶險突擊連"稱號。
1987年5月13日-6月9日坦克3師出動6個團3802人，動用各種輪胎車輛207台開赴大興安嶺撲火救災，擔任軍區預備隊執行機動撲火任務。瀋陽軍區授予機械化步兵團3連"撲火救災先鋒連"稱號，全師27天行程2000多公里，中央軍委記集體二等功。
該師的的一個亮點是1988年恢復軍銜制後該師師長張東渠被授予少將軍銜，是當時為數不多的幾位少將師長之一。
1988年9月23日坦克3師師長張東渠被授予少將軍銜。河北威縣人，1935年11月出生，1947年7月參軍，1956年12月入黨，40軍119師通信營排長、坦克324團參謀，自行火炮營副營長，坦克5師18團參謀長、副團長、團長；坦克3師參謀長、副師長、師長。
1984年2月24日按《陸軍合成集團軍坦克師試行編制》整編，全師新組建1個高炮團，裝甲步兵團改稱機械化團。高炮團於4月9日在楊木林組建。
1998年9月20日進行師部分編制調整並改稱，10月16日坦克3師啟用裝甲3師新番號，撤消機械化步兵團。
