A hadosztályt 1939 októberében az SS-Totenkopfverbände állományának felhasználásával állították fel részben gépkocsizó gyaloghadosztályként.

1940. május 18-tól részt vett a nyugati hadjáratban, ahol súlyos harcokat vívott többek között Cambrai, Arras és Béthune térségében. Le Paradis-nál a hadosztály egyik százada súlyos veszteségei megtorlásaként a századparancsnok, Fritz Knöchlein SS-Obersturmführer utasítására legéppuskázta a brit hadifoglyokat. Júniusban „Totenkopf” hadosztály a francia-spanyol határig nyomult előre, majd a francia-német fegyverszüneti vonal mentén állomásozott különböző helyőrségekben. 1941. május elején a hadosztályt visszavezényelték Németországba.

A 1941. június 24-től a keleti fronton vetették be. Először a litván határon harcolt, majd az Ilmeny-tótól délre támadott. Júliusban részt vett a Sztálin-vonal áttörésében. Ezután augusztus végétől szeptember közepéig tovább nyomult Gyemjanszkon át észak felé, Lusno és Leningrád irányába. A „Totenkopf” hadosztály 1941. szeptember végétől 1942. június végéig Lusno, az Ilmeny-tó és Gyemjanszk körül védelemben harcolt. A „gyemjanszki katlanban” szétforgácsolódott alakulatok zömét 1942 nyarán kivonták, de kisebb részei tovább harcoltak a körzetben (szeptembertől Simon-harccsoportként) egészen 1942. november elejéig.

Miután a hadosztályt Dél-Franciaországban különleges hadrendű, páncélosezreddel is rendelkező SS-páncélgránátos-hadosztályként szervezték át és feltöltötték, 1942. október vége-1943. január vége között rövid ideig a Földközi-tenger, majd az Atlanti-óceán partján állomásozott.

1943. február második felében csatlakozott a Harkovnál harcoló SS-páncéloshadtest másik két páncélgránátos-hadosztályához. Március és április folyamán Harkov és Belgorod körzetében vívott elhárító harcokat.

A hadosztály részt vett a kurszki csatában, s az annak tetőpontjának tekintett 1943. július 12-13-i prohorovkai páncélosütközetben is. Július 5-től 18-ig csapatai 214 szovjet páncélost lőttek ki és 1547 hadifoglyot ejtettek.

A „Totenkopf” SS-páncélgránátos-hadosztály 1943. július 17-től szeptember közepéig Harkov térségében már védelmi harcokra kényszerült. Ezt követően Kijevnél és a Dnyeper partján harcoltak csapatai október végéig. Október végén a hadosztályt 3. „Totenkopf” SS-páncéloshadosztállyá nevezték át, de a kimerült csapatok számára ez jelentősebb feltöltést nem jelentett. Novembertől 1944. január közepéig a hadosztály Krivoj Rogtól északra ugyancsak elkeseredett védekező harcokat folytatott. Ezt követően harcolva vonult vissza a román határ felé, ahol Romantól északra június közepéig védekezett.

A hadosztály 1944. júniusában a keleti front középső szakaszára szállították, ahol először júliusban Grodno, majd augusztustól október végéig Varsó térségében vívott sikeres védelmi harcokat. Novemberben a Bug torkolatánál harcolt, majd december 25-ig Modlin körzetében állásharcokat vívott a szovjet csapatokkal.

Miután a szovjetek 1944. december 24-én csaknem bekerítették Budapestet, Hitler még aznap este a IV. SS-páncéloshadtest alárendeltségében Magyarországra rendelte a 3. SS- és 5. SS-páncéloshadosztályt, hogy részt vegyen a magyar főváros felmentésére indított „Konrad” fedőnevű támadásban.

A páncéloshadosztály áttekintő hadrendje és fontosabb parancsnoki beosztása 1945. január 1-i adatok alapján:

–Teljes létszám: az adott időpontról pontos adat nem áll rendelkezésre;
–hadosztályparancsnok: Helmuth Becker SS-Brigadeführer, a Waffen-SS vezérőrnagya (LK+TL);
–1. (hadműveleti) vezérkari tiszt: Erich Eberhardt SS-Obersturmbannführer (LK);
–hadosztálytörzs térképész-csoporttal, hadosztály-kísérőszázaddal és táboricsendőr-szakasszal;
–3. SS-páncélosezred (Anton Laackmann SS-Obersturmbannführer):
–3/I. SS-páncélososztály (Erwin Meierdress SS-Sturmbannführer): 1-4. páncélosszázad Panther harckocsikkal, egy ellátó század;
–3/II. SS-páncélososztály (? Lübbelt SS-Hauptsturmführer): 5-8. század Panzer IV harckocsikkal és részben rohamlövegekkel, egy ellátó század;
–3/9. SS-nehézpáncélos-század Tiger E nehézharckocsikkal;
–műhelyszázad;
–5. „Totenkopf” SS-páncélgránátos-ezred (Max Kühn SS-Obersturmbannführer):
143–I-III. SS-páncélgránátos-zászlóalj: 1-4., 5-8., 9-12. század359, az 5/I. SS-páncélgránátos-zászlóalj lövészpáncélos-zászlóalj volt;
–13. SS- (önjáró gyalogságilöveg-) század;
–14. SS- (önjáró légvédelmigépágyús-) század;
–16. SS- (páncélos-utász-) század;
–6. „Theodor Eicke” SS-páncélgránátos-ezred (Franz Kleffner SS-Obersturmbannführer – LK):
–I-III. SS-páncélgránátos-zászlóalj: 1-4., 5-8., 9-12. század360;
–13. SS- (önjáró gyalogságilöveg-) század;
–14. SS- (önjáró légvédelmigépágyús-) század;
–16. SS- (páncélos-utász-) század;
–3. SS-páncélos-tüzérezred (Josef Swientek SS-Standartenführer – LK):
–I-IV. SS-páncélos-tüzérosztály (a 3/I. SS-páncélos-tüzérosztály önjáró tarackokkal felszerelve, a többi gépvontatású löveganyaggal);
–3. SS-páncélos-felderítőosztály (Gerhard Pellin SS-Sturmbannführer):
–törzsszázad páncélgépkocsikkal;
–egy páncélgépkocsi-század, két páncélos-felderítőszázad, egy nehézfegyver-század, egy ellátó század;
–3. SS-páncélvadászosztály (Adolf Pittschellis SS-Sturmbannführer – LK):
–1-2. vadászpáncélos-század (Jagdpanzer IV vadászpáncélosokkal és StuG. III rohamlövegekkel), 3. (vontatott nehézpáncéltörőágyús-) század;
–3. SS-páncélos-utászzászlóalj (Ludwig Schwermann SS-Sturmbannführer):
–1-3. század (a 3/1. század lövészpáncélos-század), könnyű hadihídoszlop;
–3. SS-páncélos-híradóosztály (Kurt Höhne SS-Hauptsturmführer):
–1.(távbeszélő), 2. (rádiós) század;
–3. SS-páncélos-légvédelmi tüzérosztály (Joachim Mitthof SS-Sturmbannführer):
–1. (3,7 cm-es) üteg, 2-4. (8,8 cm-es) üteg;
–3. SS-páncélos-tábori pótzászlóalj (Ernst Kiklasch SS-Sturmbannführer): öt kiképzőszázad;
–3. SS-páncéloshadoszályt ellátó alakulatok;
–3. SS-páncélos-karbantartó osztály;
–3. SS-gazdasági osztály;
–3. SS-egészségügyi osztály.

A tervezett támadással kapcsolatban két változat merült fel. A „Déli megoldás” (Südlösung vagy „Paula”) esetében a németek Székesfehérvár északi térségéből kiindulva északi-északkeleti irányban támadtak volna, a páncélosok számára igen kedvező terepen. Azonban a felvonuláshoz öt teljes napra lett volna szükség és a vasúthálózat rossz állapota miatt az úton való átcsoportosításhoz 900 köbméterrel több üzemanyagra lett volna szükség, mint az északi változatban.

Az „Északi megoldás” (Nordlösung vagy „Konrad”) előnye a gyorsabb felvonulás és a kisebb üzemanyagigény volt, de a terep hegyvidéki jellege miatt a Komárom felől támadó SS-páncélosok manőverezése és harctevékenysége jelentős akadályokba ütközhetett.

A kétséget Walther Wenck altábornagy, a német szárazföldi haderő vezérkarának vezetési csoportfőnöke oszlatta el, amikor 1944. december 30-án Eszterházán tartott megbeszélésen elfogadta a Dél Hadseregcsoport északi megoldást támogató érveit. Megállapodtak Otto Wöhler gyalogsági tábornokkal, aki december 23-tól a leváltott Friessner vezérezredes helyett a hadseregcsoport új főparancsnoka volt, hogy a támadás 1945. január 1-én este északon indul „Konrad” fedőnévvel.

Wöhler december 31-én este a Balck-seregcsoportnak küldött táviratában a seregcsoport által végrehajtandó „Konrad” hadművelet céljaként elsősorban a Budapest és a Vértes-hegység között lévő szovjet erők szétzilálását és megsemmisítését, valamint a Budapesttel való kapcsolat megteremtését jelölte meg.

A 3. SS-páncéloshadosztály csapatai a „Konrad” hadművelet megindításakor nem voltak teljes létszámban Magyarországon. A Győr, Komárom és Tárkány körzetében gyülekező csapatok csak a hadosztály 66 százalékát tették ki, de a hiányzó kötelékek többnyire az ellátó alakulatokhoz tartoztak.

A hadosztály páncélosereje ekkor 11 bevethető Tiger E nehézharckocsiból, 29 Pantherből, 16 Panzer IV-ből és körülbelül 20 Jagdpanzer IV vadászpáncélosból és StuG. III rohamlövegből állt.