Bis April 1942 verteidigte die Division im mittleren Frontabschnitt der Ostfront. Als sich die Lage dann einigermaßen stabilisiert hatte, zog man sie aus der Front, frischte sie auf und verlegte sie in den Südabschnitt der Ostfront. Hier ging die Division im XXXXVII. Panzerkorps der 4. Panzerarmee nach Beginn der Sommeroffensive auf Woronesch am Don vor und eroberte es am 7. Juli 1942. Danach ging es weiter nach Süden zur 6. Armee, um dort mit dem XIV. Panzerkorps am Angriff in den Donbogen teilzunehmen. Am 11. August wurde Kalatsch am Don erreicht und der Angriff in Richtung Stalingrad-Nord fortgesetzt. Nach der sowjetischen Offensive, die zur Einkesselung der 6. Armee führte, war auch die 3. Infanterie-Division (mot.) eingeschlossen. Nur wenige Einheiten befanden sich außerhalb des Kessels. Am 31. Januar 1943 gingen die Überlebenden der in Gefangenschaft.