Voor Operatie Barbarossa beschikte de panzergruppe over vier gepantserde en drie gemotoriseerde divisies met daarnaast vier infanteriedivisies. Panzergruppe 3 viel op 22 juni 1941 aan vanuit de Suwałki-driehoek richting Olita en Grodno. Samen met het 9e Leger vormde de panzergruppe de noordelijke tangarm in de Slag om Białystok-Minsk. Onmiddellijk na afloop van deze omsingelingsslag nam de panzergruppe deel aan de Slag om Smolensk in juli, waarna de Duitse opmars langs de Dnjepr/Westelijke Dvina linie tijdelijk werd stopgezet. In september vond er een hergroepering plaats ter voorbereiding op de hervatting van offensieve acties in Operatie Taifun. Hiervoor werd de panzergruppe versterkt tot vier korpsen. De Panzergruppe 3 vormde opnieuw de noordelijke tang van een omsingelingsslag, nu bij Vjazma (2–16 oktober 1941). Vervolgens kreeg de panzergruppe bevel op te rukken naar Kalinin