广州铁路局长沙机务段是首个配属东风3型机车的机务段，担当京广铁路郴州—长沙—岳阳的旅客列车牵引任务，代替老旧的胜利3型和胜利6型蒸汽机车。1973年，上海铁路局上海机务段配属东风3型机车，以替换使用寿命将近四十年的KF型蒸汽机车，担当京沪铁路上海至南京、蚌埠间的旅客列车牵引任务。同年，郑州铁路局郑州机务南段开始大量配属东风3型机车，担当京广铁路武昌—郑州—安阳、陇海铁路陕州（三门峡西）—郑州—徐州—蚌埠间的客运交路，代替以往使用的人民型和胜利型蒸汽机车。同时，北京铁路局石家庄机务段亦开始配属东风3型机车，担