3-я танковая дивизия вторглась в Советский Союз 22 июня 1941 года, дерзко захватив пограничный Коденьский мост. Под командованием будущего фельдмаршала Вальтера Моделя дивизия участвовала в разгроме войск, окруженных в районе Белостока и Минска, в окружении советских войск под Смоленском и в боях на переправах через Днепр, после чего была направлена на южный участок фронта, где при ее содействии в ловушку под Киевом попали несколько армий, насчитывавших в общей сложности более 750 тыс. человек. Позднее она приняла участие в наступлении на Москву и в боях под Тулой, когда Гудериан безуспешно пытался обойти советскую столицу с юга. Во время советского зимнего наступления 1941/42 года она действовала в качестве «пожарной бригады», сражаясь под Курском и Орлом, а в марте 1942 года обороняла Харьков от массированных атак советских войск. Тем же летом дивизия принимала участие в сражениях на Северном Кавказе и понесла тяжелые потери под Моздоком. В январе 1943 года, когда советские войска стали угрожать Ростову-на-Дону, 3-я танковая дивизия эвакуировалась с Кубани, переправившись по льду Азовского моря. Она сражалась под Курском и Белгородом в июле и понесла тяжелые потери в боях под Харьковом осенью 1943 года. Также она участвовала в боях в Днепровской излучине (сентябрь 1943 г. — январь 1944 г.), где она вновь проявила себя, и в боях в районе Черкасс и Умани зимой 1943/44 года. Она была окружена под Кировоградом 5 января 1944 года, но сумела вырваться 10 января (через пробитую брешь за ней вышли еще четыре дивизии). Оставаясь в строю, несмотря на потери, 3-я танковая дивизия сражалась под Киевом и участвовала в оборонительных боях при отступлении через Украину и Восточную Польшу. Она пробилась из окружения в Румынии, принимала участие в боях в Венгрии и закончила войну, сражаясь в Штирии (Австрия) на южном участке Восточного фронта. После смерти Гитлера 30 апреля 1945 года, но до фактической капитуляции Германии дивизия сумела оторваться от советских войск и уйти на запад, чтобы избежать советского плена. Этот маневр ей удался, и дивизия сдалась американцам в Энее.
В числе командиров дивизии были генерал-лейтенант Эрнст Фессман (принял командование 1 октября 1935 года), полковник Фридрих Кюн (июнь 1937 года), Фессман (июль 1937 года), генерал-лейтенант барон Лео Гейр фон Швеппенбург (12 октября 1937 года), генерал-майор Хорст Штумпф (7 октября 1939 года), вновь Гейр (31 октября 1939 года), вновь Штумпф (15 февраля 1940 года), вновь генерал-майор Кюн (сентябрь 1940 года), генерал-лейтенант Модель (13 ноября 1940 года), генерал-майор (генерал-лейтенант) Герман Брейт (2 октября 1941 года), полковник барон Курт фон Либенштейн (1 сентября 1942 года), генерал-майор (генерал-лейтенант) Франц Вестхофен (1 октября 1942 года), генерал-майор Фриц Байерляйн (25 октября 1943 года), полковник Рудольф Ланг (5 января 1944 года), генерал-лейтенант Вильгельм Филипс (25 мая 1944 года), полковник (генерал-майор) Вильгельм Зет (1 января 1945 года) и полковник Фолькмар Шене (19 апреля 1945 года).
ЭРНСТ ФЕССМАН (1881–1962) родился в Баварии в 1881 году и поступил на службу фанен-юнкером в 1900 году. Прежде чем принять командование 3-й танковой дивизией, он провел большую часть карьеры в кавалерии и в 1926 году вступил в командование 17-м кавалерийским полком. Многие историки рассматривают Фессмана только как кавалерийского офицера, назначенного командовать одной из первых танковых дивизий, несмотря на наличие более квалифицированных офицеров в танковых войсках. Однако он служил в штабе 7-го автотранспортного батальона (1921–1922 гг.), командовал 7-м батальоном с 1924 по 1926 год, а также командовал моторизованным дивизионом 2-го артиллерийского полка (1931–1934 гг.) и танковой учебной бригадой (1934–1935 гг.). Таким образом, можно считать, что Фессман обладал большим опытом службы в моторизованных частях, чем полагает большинство историков. Людвиг Бек, крайне консервативный начальник Генерального штаба, назначил его командиром танковой дивизии, чтобы уравновесить резкость Гейнца Гудериана, «отца» блицкрига. (Бек считал, что танки следует использовать только как средство поддержки пехоты, и совершенно не одобрял идею танковых дивизий.) Фессман не был ни реакционером, как Бек, ни революционером, как Гудериан. Он вышел в отставку в звании генерала танковых войск в 1937 году. После начала войны вернулся на действительную службу и командовал 267-й пехотной дивизией (1939–1941 гг.) и особым штабом во Франкфурте-на-Одере (1941–1942 гг.). В 1942 году он во второй и последний раз подал в отставку, которая была принята в 1943 году. После отставки Фессман поселился в Пулахе, где и скончался 25 октября 1962 года.