1950年11月8日，以西北军区独立第1师（欠第2团、山炮营、骑兵连）、西北军区炮兵教导团部分分队为基础，加上从坦克第1、第2师和坦克学校抽调的人员，在吉林省四平市组建坦克第3师，辖下辖坦克第5、第6团，摩托化步兵团、炮兵团，以及直属分队。
1951年1月9日，划归东北军区装甲兵建制。3月21日改称战车第3师，坦克团改为战车团。
1951年起陆续派遣部队入朝参战，1952年6月全师正式入朝。
1953年3月改称坦克第3师，下辖战车团改回坦克团。
1954年5月，坦克3师回国。5月改称中国人民解放军坦克第3师，隶属东北军区装甲兵。
1958年2月，摩托化步兵团改称机械化步兵团。摩托化炮兵团改称122榴弹炮兵团。
1960年12月10日，沈阳军区授予坦克5团2营4连'政治思想工作红旗连'；授予机械化步兵团1营3连'学习毛泽东著作先锋连'；授予机械化步兵团1营3连排长廖初江'学习毛泽东著作尖兵'称号。
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1962年2月，防空分开赴辽宁省丹东地区执行防空任务，1968年8月15日归建。
1962年10月，122榴弹炮团改称炮兵团。
1967年1月17日，组建坦克3师高炮团，主要以师高炮营（4个37炮连、1个高机连）为基础，抽调坦克5、6团和机械化步兵团高炮连组成，辖8个建制连。
1968年9月，高炮团扩编，新组建两个营部。原师高炮营的5个连队编为1营；原坦克5、6团和机械化步兵团的高炮连及从坦克独立1团调入的1个高炮连编为2营。
1969年3月到4月珍宝岛自卫反击作战期间，其直属修理营参与拆卸和打捞沉入江中的T-62中型坦克
1969年4月，39军116师所属的坦克自行火炮321团和117师所属的克自行火炮322团转隶坦克3师，所属各团按番号从小到大依次改称为坦克9团，10团，11团和12团。10月，整编完成后的坦克3师担任沈阳军区战备值班师。
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1970年5月5日，撤销高炮团，团机关和2营调高炮74师，原师直高炮营、坦克9、10、机械化步兵团、坦克独立团高炮连归建。
1976年3月，机械化步兵团改称装甲步兵团，坦克11团转隶回39军。
1983年1月，坦克3师转隶39军。坦克11团重归 116 师，番号改为116师装甲团。
1984年2月，新组建高炮团，装甲步兵团改称机械化团。
1986年10月，机械化团改为机械化步兵团。
1998年，执行装甲师编制，改为装甲3师，下辖装甲第9、10和12团及炮兵团、高炮团，机步团建制撤销。
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2011年，装甲3师拆分为装甲3旅（装甲9团）和202机步旅（装甲10、12团），隶属39集团军。
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2017年新军改后，以202机步旅为基础，整合原装甲3旅部队，改编为合成202旅。
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