Образован на юго-западном направлении 20 октября 1943 г. на основании приказа Ставки ВГК от 16 октября 1943 г. путем переименования Юго-Западного фронта. Включал 1-ю и 8-ю гвардейские, 6, 12, 46 и 17-ю воздушную армии. В последующем в него входили 5-я ударная, 4 и 9-я гвардейские, 26, 27, 28, 37, 57, 6-я гвардейская танковая армии, 1, 2 и 4-я болгарские армии. В оперативном подчинении фронта находилась Дунайская военная флотилия.

В октябре-ноябре 1943 г. войска 3-го Украинского фронта в ходе битвы за Днепр освободили города Днепропетровск и Днепродзержинск, продвинулись на запад от Днепра на 50-60 км. В последующем, действуя на криворожском направлении, силами 6-й армии захватили плацдарм южнее Запорожья, а к концу декабря вместе со 2-м Украинским фронтом удерживали на Днепре крупный стратегический плацдарм.

При освобождении Правобережной Украины войска 3-го Украинского фронта во взаимодействии с 4-м Украинским фронтом, осуществив Никопольско-Криворожскую операцию 1944 г., вышли на р. Ингулец, откуда в марте-апреле развернули наступление на николаевско-одесском направлении. Проведя последовательно Березнеговато-Снигиревскую и Одесскую операции, они при содействии Черноморского флота завершили освобождение юга Украины, освободили значительную часть Молдавской ССР и продвинулись до Днестра, захватив плацдармы на его правом берегу, в том числе кицканский плацдарм.

В августе 1944 г. 3-й Украинский фронт участвовал в Ясско-Кишиневской стратегической операции, в результате которой была освобождена вся Молдавская ССР, а Румыния объявила войну Германии.

8 сентября войска фронта вступили на территорию Болгарии и к концу месяца освободили ее. 28 сентября — 20 октября 1944 г. 3-й Украинский фронт во взаимодействии с Народно-освободительной армией Югославии при участии войск Отечественного фронта Болгарии осуществил Белградскую стратегическую операцию, в результате которой были освобождена столица Югославии Белград и большая часть Сербии.

В октябре 1944 г. — феврале 1945 г. 3-й Украинский фронт частью сил участвовал в Будапештской стратегической операции. Его войска форсировали Дунай и захватили плацдарм на его правом берегу. В январе 1945 г. они отразили контрудары противника, пытавшегося деблокировать окруженную в Будапеште группировку, а в марте во время Балатонской операции, сорвали контрнаступление немецких войск в районе озера Балатон. Успешное завершение этой операции позволило без оперативной паузы начать 16 марта во взаимодействии с левым крылом 2-го Украинского фронта Венскую стратегическую операцию, завершить освобождение Венгрии, изгнать врага из восточной части Австрии и освободить ее столицу Вену.

15 июня 1945 г. на основании директивы Ставки ВГК от 29 мая 1945 г. фронт был расформирован, полевое управление фронта реорганизовано в управление Южной группы войск.

Командующие: генерал армии Малиновский Р.Я. (октябрь 1943 г. — май 1944 г.); генерал армии, с сентября 1944 г. Маршал Советского Союза Толбухин Ф.И. (май 1944 г. — до конца войны). 
Член Военного совета генерал-лейтенант, с сентября 1944 г. генерал-полковник Желтов А.С. (весь период).

Начальники штаба: генерал-лейтенант Корженевич Ф.К. (октябрь 1943 г. — май 1944 г.); генерал-лейтенант, с мая 1944 г. генерал-полковник Бирюзов С.С. (май-октябрь 1944 г.); генерал-лейтенант, с апреля 1945 г. генерал-полковник Иванов С.П. (октябрь 1944 г. — до конца войны).Стратегические операции: