1997年規(guī)劃中，當時的方案B，廣州地鐵5號線環(huán)線的東段，體育西路至客村一段，即為現時廣州地鐵3號線的中段。

2000年規(guī)劃中，因應番禺撤市建區(qū)，同時天河西部開始發(fā)展，因此該段被獨立出來，北端延至廣州火車東站，南端按現有走向延長至番禺廣場。同時從體育西路分岔出一條支線，向東沿天河路行進，再大致轉向北伸展至天河客運站。同時連接新白云國際機場和廣州火車東站的機場快線出現了，除北延段的路線走向基本確定。

2003年初步方案中，機場快線被并入廣州地鐵3號線中，并改為大致沿白云山東邊布置。南端也得以大幅延長，從番禺廣場向東到達規(guī)劃廣州新城後，沿京珠高速繼續(xù)向南，到達南沙。后來2003年方案局部修改，廣州地鐵3號線和廣州地鐵4號線交換廣州新城（現海傍站）以南及以東的路段，同時北段走線亦被修改，全線走向也基本得以定型。

2007年5月14日，廣州地鐵3號線北延段（原機場快線）原有17.03公里高架路線的規(guī)劃全部更改為地下敷設。為此廣州市政府增加投資10億元，工期延長9個月。同時為控制投資，原有快慢車設計被取消，機場快線服務亦無法實現。

2001年12月26日，廣州地鐵3號線動工。 ^[4] 

2003年1月26日，廣州地鐵3號線首座封頂車站大塘站封頂，大塘站作為三臺盾構機的始發(fā)站，對整個工程起控制性作用； ^[5]  2月8日，首個開工區(qū)間“市橋-番禺廣場”盾構始發(fā)。

2004年8月9日，“大漢-漢溪”區(qū)間右線貫通，成為廣州地鐵3號線首通段貫通的區(qū)間。

2005年12月26日，廣州地鐵3號線首通段（廣州東站至客村）正式開通。 ^[4] 

2006年6月6日，“市橋-番禺廣場”區(qū)間貫通，標志著該廣州地鐵3號線一期隧道全線貫通；11月30日，運營事業(yè)總部正式接管“天河客運站-體育西站”，實現三權移交；12月30日，廣州地鐵3號線一期全線通車。行車交路更改為：天河客運站至番禺廣場，廣州東站至體育西路。 ^[4] 

2008年7月28日，國家發(fā)改委正式批復廣州地鐵3號線北延段工程可研報告。

2009年5月21日，廣州地鐵3號線北延段首個雙線貫通“機場南至高增”區(qū)間貫通；11月20日，燕塘站主體結構完成；11月29日，“廣州東站至燕塘”區(qū)間鋪設軌排，標志著廣州地鐵3號線北延段工程施工正式開始。

2010年1月28日，首列廣州地鐵3號線北延段的地鐵列車開始交付；2月19日，廣州地鐵3號線北延段施放第一條接觸線；4月20日，“廣州東站至體育西路”開始采用6節(jié)編組新車；4月20日，“燕塘-梅花園”雙線貫通，標志著北延段全線貫通； ^[4]  4月28日，番禺廣場至天河客運站段開始采用6節(jié)編組新車； ^[4]  4月30日，嘉禾車輛段第一次冷滑測試且取得成功；6月26日，廣州地鐵3號線北延段開始熱滑試驗；7月7日，廣州地鐵3號線北延段試運行；7月18日，廣州地鐵3號線北延段短軌貫通； ^[6]  7月30日，廣州地鐵3號線北延段長軌貫通，鋪軌工作全部完成； ^[7]  10月30日，廣州地鐵3號線北延段全線貫通試運營，使廣州地鐵3號線中國最長的地鐵線路。 ^[4] 

2011年10月31日，取消收取進出機場南站的5元特別費。

2013年5月27日，開行工作日早高峰短線車；12月24日，同和至大石區(qū)間將在工作日正式開行短線車。

2017年12月28日，高增站開通運營。

2018年4月26日，機場北站開通運營； ^[3]  9月25日，廣州地鐵3號線在工作日早高峰時段增開“番禺廣場至同和”小交路； ^[8]  11月19日，廣州地鐵3號線東延段正式開工建設。 ^[9] 

2019年1月21日起，廣州地鐵3號線在天河客運站至番禺廣場、機場北至體育西路開行雙向交路的基礎上，將在工作日日間非高峰期（機場北至體育西路段約09:30-16:00，天河客運站至番禺廣場段約10:00-06:30）和節(jié)假日全天試行機場北至番禺廣場雙向直通交路； ^[10]  1月27日，廣州地鐵3號線廈滘車輛段擴容改造工程通過質量竣工驗收。 ^[11] 

廣州地鐵3號線主線從天河客運站出發(fā)，穿過華南理工大學。沿五山路、天河路到達體育西路向南延伸，經過海心沙、赤崗塔、海珠公園、洛溪島，繼續(xù)沿新光快速路向南，經過光明北路向東到達清河東路。北延段南起體育西路，穿過廣州天河體育中心、廣州東站，燕嶺公園向西北到達廣州大道北，經過廣州大道北、同泰路，向北到達106國道，最終到達機場北站。東延段西起番禺區(qū)的番禺廣場站，然后沿亞運大道向東延伸至京珠高速路，接著在亞運大道立交的西側轉向東南，再向東下穿京珠高速路與廣州地鐵4號線高架交替，最后到達廣州亞運城媒體中心的海傍站。

據廣州地鐵官網統(tǒng)計，廣州地鐵3號線（含北延段）2017年日均客運達193.1萬人次，2017年12月31日，廣州地鐵3號線（含北延段）單日客流量達244萬人次，為最高單日線路客運量。 ^[1-2] 

廣州地鐵3號線列車(3張)

廣州地鐵3號線列車是SIEMENS公司和中國南車集團株洲電力機車有限公司合作制造的，是中國首列120公里時速的最快地鐵列車。 廣州地鐵3號線車輛為B型車，車身寬2.8米，長19.98米，3節(jié)編組列車長約60米，載客量滿載為675人，超載時可達941人。最高運行速度可以達到120公里/小時；車輛為流線型外觀，列車以彩虹色為主色調，車體兩邊各有一條鮮艷的橙色飾帶。 ^[17-18] 

廣州地鐵3號線北延段列車是由中國南車集團株洲電力機車有限公司制造，列車為B型車六節(jié)編組。6節(jié)編組列車長約120米、寬2.8米。設計最高運行速度為120千米/小時；外型采用流線型結構，車身兩邊顏色以白色、橙色和銀色色帶為主，車頭色彩圖案類似飛機飛翔造型；外玻璃窗寬闊通透，車廂內墻面與天花板以白色調為主。在嘉禾望崗至機場北區(qū)間地鐵車廂內有廣播去往機場北站（2號航站樓）的溫馨提示。

廣州地鐵3號線列車每節(jié)客車車廂內設置有LCD可視頻顯示屏，另外在每節(jié)車廂內的上方均設置有閃燈式車站地圖報站裝置，用于顯示車輛運行方向、換乘信息及站名顯示，為乘客提供更加清晰明了的乘車指引。此外，廣州地鐵3號線北延段列車每節(jié)車還設有兩臺薄型車頂一體式空調機組及控制系統(tǒng)。 ^[17] 

廣州地鐵3號線共設2座車輛基地，嘉禾車輛段和廈滘車輛段；2座主變電站；1座控制指揮中心，大石控制中心。

在工作日早高峰時段開行“番禺廣場至同和”小交路。高峰時段有同和至大石單向早高峰短線，乘客無須從北延段換乘主線，直接從三北線的同和站可達到主線大石站。 ^[19-20] 

2016年9月1日起，在23:15開行一趟機場南往體育西路方向的夜間專車，專車沿途只停靠嘉禾望崗站、同和站、廣州東站、體育西路站4個車站。

2019年1月21日起，廣州地鐵3號線在天河客運站至番禺廣場、機場北至體育西路開行雙向交路的基礎上，將在工作日日間非高峰期（機場北至體育西路段約9:30～16:00，天河客運站至番禺廣場段約10:00至6:30）和節(jié)假日全天試行機場北至番禺廣場雙向直通交路。 ^[10] 

在廣州地鐵3號線車站內有許多商鋪，全線支持移動支付、金融IC卡付費過閘。廣州地鐵3號線車站提供的便民雨傘租借、共享雨傘的服務。同時，車站外還停有共享單車。在嘉禾望崗站、燕塘站、機場北站和高增站內設有廁所。 ^[21-22] 

廣州地鐵3號線工期緊、任務重，地質條件差、設計邊界條件不穩(wěn)定、地下管線多等不利。廣州地鐵3號線北延段隧道是亞運期間地鐵建設技術難度最大、地質條件最復雜、挑戰(zhàn)風險最多的線路。 ^[23] 

2018至2022年，廣州地鐵3號線東延段，位于番禺區(qū)，起于廣州地鐵3號線番禺廣場站，共設4座車站，自西往東依次為番禺客運站、廣州新城西站、金光大道站和海傍站（以上均為工程名）。其中換乘站1座，為海傍站。本線路設置停車場1座，為廣州新城停車場，位于亞運大道南側、規(guī)劃新基路東側的南北向地塊內。因亞運城東部地鐵城軌換乘規(guī)劃未穩(wěn)定，暫緩3號線再向東延伸至海鷗島。 ^[24-25] 

未來2020至2040年，廣州地鐵3號線支線（天河客運站-體育西路）與廣州地鐵10號線合并，廣州地鐵3號線南北端將實現互通，遠期，廣州地鐵9號線也有可能與廣州地鐵3號線合并，成為一條新的支線。

廣州地鐵3號線的車站的設計遵循“一線一景，一站一色”的規(guī)范，每一個車站均有各自的顏色，亦為廣州地鐵的特色。廣州地鐵3號線北延段沿線各站均設有航班信息電子顯示屏，供旅客實時查詢航班動態(tài)。

機場南站：一幅名為《盛迎》的巨型文化墻近日在三號線機場南站面世。“盛迎”以最能代表廣州文化元素的“木棉花”為主題，并配以世界各國的多種問候語言創(chuàng)作而成，充分展現了廣州喜迎四方來客的花城形象。 ^[26-27] 

廣州地鐵3號線是廣州市城市發(fā)展重點向南部轉移的戰(zhàn)略線路，是廣州地鐵南北向的主干線，是實現廣州“南拓”目標的骨干交通線路。廣州地鐵3號線助于實現城市總體規(guī)劃目標，拉開城市布局，提高和改善城市交通環(huán)境及對外交通輻射強度。（南方報業(yè)網 評） ^[28]