Образован на юго‑западном направлении 20 октября 1943 на основании приказа Ставки ВГК от 16 октября 1943 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 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, вышли нар. 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 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 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 – феврале 1945 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 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 на основании директивы Ставки ВГК от 29 мая 1945 фронт был расформирован, полевое управление фронта реорганизовано в управление Южной группы войск.
Командующие: генерал армии Малиновский Р.Я. (октябрь 1943 – май 1944); генерал армии, с сентября 1944 маршал Советского Союза Толбухин Ф.И. (май 1944 – до конца войны). Член Военного совета генерал‑лейтенант, с сентября 1944 генерал‑полковник Желтов А.С. (весь период). Начальники штаба: генерал‑лейтенант Корженевич Ф.К. (октябрь 1943 – май 1944); генерал‑лейтенант, с мая 1944 генерал‑полковник Бирюзов С.С. (май‑октябрь 1944); генерал‑лейтенант, с апреля 1945 генерал‑полковник Иванов С.П. (октябрь 1944 – до конца войны).