3 Dywizja Pancerna odniosła ogromne sukcesy przy minimalnych stratach własnych, a po zakończeniu działań bojowych we wrześniu 1940 roku została przerzucona do Niemiec. Tam stacjonowała do maja 1941 roku, przechodząc w międzyczasie reorganizację.
W czerwcu 1941 roku dywizja została włączona w skład 2 Grupy Pancernej Grupy Armii Środek i wzięła udział w ataku na Związek Radziecki. Atak rozpoczęła 22 czerwca 1941 przeprawiając się przez Bug w rejonie Twierdzy Brześć. Walczyła przeciw Armii Czerwonej na środkowym odcinku frontu, w rejonie Mińska, Smoleńska, Kijowa, Briańska i Tuły.
W grudniu 1941 roku weszła w skład 6 Armii Grupy Armii Południe i walczyła na froncie południowym. Szczególnie ciężkie walki toczyła w rejonie Charkowa latem 1942 roku, a następnie nad Dnieprem. Później włączona została w skład nowo utworzonej Grupy Armii A i wzięła udział w walkach mających doprowadzić do zajęcia Kaukazu. Następnie walczyła na Ukrainie cofając się w kierunku polskiej granicy, m.in. na przełomie lipca i sierpnia 1943 walczyła nad Miusem.
We wrześniu 1944 roku została wycofana na terytorium okupowanej Polski, gdzie zajęła pozycje nad Narwią. W tym czasie weszła w skład 2 Armii Grupy Armii Środek.