Tập đoàn quân 3 cũng tham gia trận Smolensk, nơi quân Đức chiếm được thành phố sau một chiến dịch khó khăn kéo dài hai tháng, và trận Moskva, trong đó cuộc phản công mùa đông của Hồng quân do Nguyên soái Georgy Zhukov chỉ huy đã đánh lui Cụm Tập đoàn quân Trung tâm hơn 70 dặm (110 km) khỏi Moskva. Trong nửa sau cuộc chiến tại Mặt trận phía Đông, Tập đoàn quân 3 tham gia Trận Kursk. Tại đây lực lượng Liên Xô vượt trội về quân số và trang bị, kết hợp với việc sử dụng hệ thống phòng thủ chống tăng, đã đánh bại quân Đức, do đó ngăn chặn Chiến dịch Zitadelle và cướp đi mọi hy vọng của Quân đội Đức về một chiến thắng trên Mặt trận phía Đông. Tập đoàn quân 3 cũng tham gia các trận tấn công Bryansk, Gomel – Rechitsa và Rogachev-Zhlobin. Trong giai đoạn cuối của cuộc chiến, Tập đoàn quân 3 đã tham gia Chiến dịch Bagration, Chiến dịch Đông Phổ và cuộc tiến vào miền Đông nước Đức, nơi đơn vị tham gia vào Trận Berlin.