广州地铁3号线是广州地铁运营的路线之一，大致呈南北走向，全线长65.31公里，包括一条主线和一条支线，共设30个站，是中国大陆首条运营时速达120km/h的地铁线路。总投资为人民币159.05亿元。代表色为橙色。开通初期车厢编制为三节，后于2010年4月28日起全线升级为六节。
广州地铁3号线全线65.31公里皆为地下段，是全世界所有地铁当中地下段最长的。
三号线目前分主线及支线两段。主线为机场北—番禺广场，支线为天河客运站—体育西路，两者在体育西路站交汇。
主线起始于白云区与花都区交界的新白云国际机场2号航站楼地下，沿机场大道和机场高速南下，下穿高增种植园，再转入106国道人和大马路段，下穿流溪河后继续沿106国道南下，经过均禾大道路口转向南，抵达广云路西侧的嘉禾望岗站。随后线转入华南快速继续南下，转入同泰路行走后进入广州大道北一直南下，在白云山东边掠过。随后在怡新路口转向东南偏南，下穿燕岭公园后到达广州火车东站，通过林和西路地底，在天河体育中心西边掠过，进入体育西路，华夏路，穿过珠江新城西部。再穿越珠江及海心沙，掠过广州塔旁。随后在广州大道南东边约六百米与其平行布置，下穿住宅区、海珠湖，经大塘安置区、沥滘村，随后下穿珠江南航道，进入番禺区。下穿厦滘村后沿新光快速路往市桥。沿光明路折向东至清河东路番禺广场站终止。
支线则起于天源路天河客运站，向东南下穿华南理工大学（五山校区）与华南农业大学。于岳洲路华南农业大学南门前设站并折向西南偏南，下穿华南理工大学及农科院附属的住宅区、广深铁路及广园快速路。在天河北路口以南重返五山路（天河科技街），再转至天河路继续往西行进。随后经过华阳街口，再以一个圆弧型路段下穿天河体育中心，折向南至体育西路，接入主线。
3号线目前设有两个车辆段，与2号线共用嘉禾车辆段，位于嘉禾望岗站东北边，3号线使用该车辆段的北半部；而专用的厦滘车辆段则位于厦滘站东边。
于1997年规划中，当时的方案B，5号线环线的东段，体育西路至客村一段，即为现时3号线的中段。
2000年规划中，因应番禺撤市建区，同时天河西部开始发展，因此该段被独立出来，北端延至广州火车东站，南端按现有走向延长至番禺广场。同时从体育西路分岔出一条支线，向东沿天河路行进，再大致转向北伸展至天河客运站。同时从广州火车东站出发，沿广园路、旧白云机场中轴线和机场高速行走的机场快线也出现了。现时3号线除北延段的线路走向基本确定。
在2003年初步方案中，机场快线被并入3号线中，并改为大致沿白云山东边的广州大道北布置。南端也得以大幅延长，从番禺广场向东到达规划广州新城后，沿京珠高速继续向南，到达南沙。后来2003年方案局部修改，3号线和4号线交换广州新城（现海傍站）以南及以东的路段，同时嘉禾以北的走线亦被东移，改为行走106国道。现时3号线全线走向也基本得以定型。
2001年12月26日，大塘站作为试验段开工，2003年1月26日，大塘站封顶，成为全线第一个封顶的车站。大塘站作为三台盾构机的始发站，对整个工程起控制性作用。2003年2月8日，三号线市桥北至番禺广场盾构区间始发，成为三号线首个开工的盾构区间。而主线与支线的汇合站——体育西路站亦于同年5月18日正式开工，车站部分结构位于一号线原有车站底下80厘米。5月30日，市桥站主体提前一个月封顶。而在同日，沥滘站开工。2004年8月3日，珠江新城至客村右线顺利通过640米宽的珠江，抵达南岸。9日，大石至汉溪区间右线贯通。10月22日，主线广州东站至林和西站区间工程完成；同日，岗顶站封顶。11月26日，客村站完成土建工程。随后于2005年2月28日，体育西路站封顶。5月23日，汉溪南至市桥北盾构区间左线贯通。
2003年5月22日，广州地铁与阿尔卡特签订了价值4000万美元的基于Seltrac S40的列车控制系统供应合同。7月30日，三号线首批9个车站的99台扶梯供应合同正式签订，供应商为广州日立电梯有限公司。2005年11月18日，三号线列车于湖南株洲电力机车有限公司下线。
三号线首通段（广州东站—客村）与二号线调整工程及四号线大学城专线段于2005年12月26日下午2时正式投入服务。此时由于无法使用厦滘车辆段，所有3号线列车都必须暂时使用2号线之赤沙车辆段（现属8号线），通过客村站东南方的联络线以及客村至磨碟沙段的路轨来往赤沙车辆段和3号线正线。该段开通时使用3节编组列车行走。
2006年6月6日，市桥至番禺广场区间盾构机抵达番禺广场站，标志着三号线隧道全线贯通。9月25日，客村站至汉溪站区间开始热滑。
2006年11月20日，3号线全线停止服务40天，进行三号线的全线（广州东站/天河客运站—番禺广场）贯通前的联合调试。运营事业总部亦于十天后正式接管市桥站、番禺广场站、天河客运站、五山站、华师站、岗顶站及石牌桥站的管理权、指挥权和使用权。至此，三号线全线顺利实现三权移交。同年12月30日，三号线恢复服务，一期全线通车。车道线更改为天河客运站—番禺广场和广州东站—体育西路，两者需要在体育西路站换乘。厦滘车辆段也正式启用。两条线路均继续使用3节编组列车行走，并计划使行车间隔压缩至3分钟，以提高行车密度的做法来增加运力。官方称为“小编组，高密度”（但实际该密度仍未能算高密度），这种思路也对其后的4号线、5号线、6号线和广佛线等线路的设计产生影响，令上述线路使用了载客量较少的车型和较短的编组。
2007年5月14日，3号线北延段（原机场快线）原有17.03公里高架线路的规划全部更改为地下敷设。为此广州市政府增加投资10亿元，工期延长9个月。同时，为控制投资，原有快慢车设计被取消，机场快线服务亦无法实现。2008年6月24日，按照广州市建设委员会的要求，广州地铁将在永泰站（现白云大道北站）与同和站之间增设永泰东站（现永泰站）。7月28日，国家发改委正式批复三号线北延线工程可研报告。12月8日，三号线北延段列车采购合同正式签订。2009年2月16日，三号线北延段同永嘉区间，中铁隧道罗威特盾构机始发。11月29日，广州东站与燕塘站区间，成功地铺设了第一个轨排。9月28日，三号线北延段施工最难的区间梅花园站至同和站段双线贯通。11月20日，燕塘站主体结构施工全部完成。2010年2月19日，北延段施放第一条接触线。燕（塘）梅（花园）盾构区间于4月20日双线精密安全贯通，标志着三号线北延段全线贯通。4月30日，嘉禾车辆段迎来了第一系冷滑测试。6月20日，北延段嘉禾以北接触网进行了冷滑试验，并试验成功。23日，嘉禾以北接触网一系性送电成功。26日，嘉禾以北接触网进行热滑试验。7月18日，北延段短轨顺利贯通。30日，北延段长轨贯通，至此，2010年广州亚运前开通的地铁路线铺轨工作全部完成。
2010年，广州地铁开始把所有3节编组列车两两重联，变为6节编组列车。2010年1月28日，首列广州地铁三号线北延段增购的6节编组列车始交付。3月21日凌晨，广州媒体记者在3号线厦滘车辆段，观看了“3改6”列车重联过程。4月20日，广州地铁3号线广州东站—体育西段，由2列6节编组的新车运行，率先实现“3改6”。2010年4月28日，两两重联列车正式于天河客运站至番禺广场段投入服务，3号线全线正式使用6节编组列车行走。
10月10日，工程师锺吉章称，嘉禾望岗至龙归站的联络通道混凝土抗压强度未达标，存在严重安全隐患。事件引起媒体和市民的热烈讨论。11日广州地铁及施工单位、检测单位均表示，三号线北延段的一条联络通道确实未达到设计标准，但地铁公司称，该工程经设计单位验算，结构仍处于安全合格范围，遂已验收，将如期于10月30日开通。
2010年10月30日早上，广州市在新白云国际机场隆重举行广州地铁三号线全线贯通试运营仪式。下午2时，3号线北延段（机场南—广州东站）全线投入运营，原体育西路—广州东站列车全数改以机场南为北端尽头站。
2013年7月1日起，3号线工作日早上加开“同和至大石单向早高峰短线”。2014年，B1型列车开始改造广播系统，以具备进入广州东站以北的三号线北延段服务的条件；同年8月2日开始，3号线信号系统软件进行升级调试，全线（含北延段）车站站台显示屏均会显示接下来三班列车的尽头站和到达时间。
2017年12月28日中午，北延段预留车站高增站与9号线同步开通启用。
2018年4月26日早上，广州白云国际机场2号航站楼正式启用，机场北站一同投入运营，取代机场南站成为3号线北端尽头站。至此3号线北延段全线所有车站开通投入服务。
2018年9月25日起，3号线早高峰增开番禺广场至同和的双向区间车。
2019年1月15日至1月17日期间，3号线在中峰期时段试行机场北至番禺广场双向交路。1月21日起，3号线开始在工作日非高峰期和节假日全日全面开行机场北至番禺广场双向交路。至此3号线全面常态实施筹备多年的“Y”型交路运行模式。6月18日至20日期间以及7月8日起，该安排扩展至工作日晚高峰时段。
三号线全长65.3公里，共设30座车站。
3号线的车站的设计遵循“一线一景，一站一色”的规范，每一个车站均有各自的颜色，亦为广州地铁的特色。
3号线体育西路至机场北沿线各站均设有航班信息显示屏，供旅客实时查询航班动态。3号线也会在嘉禾望岗至高增之间分别播报使用 白云国际机场一号航站楼与二号航站楼的航空公司，避免旅客误机。
3号线主线是机场北－体育西路－番禺广场，支线是天河客运站－体育西路。现阶段开行三条车道线：
目前此行车方案并不是固定的，未来将继续视客流情况更改车道线。
在运营方常态化加开机场北贯通至番禺广场的车道线前，因3号线实际分为两条不重合的车道线长达十年有多，广州地铁和市民在日常生活及工作中多数把天河客运站来往番禺广场这段线路直接称呼为3号线；而把机场北来往体育西路这段线路称为3号线北延段，或直接简称为3北线，作为区分。
因3号线线路较长，加上在早晚间高峰时段，不少车站均有大量乘客，尤其3号线中段车站的乘客更是难以登上列车。为此3号线在早晚高峰时段均设有区间短线车，以疏导车站积压的大量乘客。但受限于车站配线及客流情况，现时只设有以下几条主要的区间短线：
3号线大致沿广州新中轴线行走，并向南、北、东（支线）三个方向延伸。串连起新中轴线上的天河中央商务区（天河北、珠江新城）、海珠区、白云区东部和番禺区中心城区内的各大住宅区、商业区以及新中轴线上数个重要地标（花城广场、广州塔、海珠湖等）；支线更连接天河区西部的石牌岗顶商业区和石牌高校区；同时3号线（北延段）也是新白云国际机场的交通配套之一，亦连接广州东站以及其它陆路交通枢纽，承担起对外门户的作用。南北两端的白云区、花都区和番禺区亦有为数众多的公交线路连接至3号线沿线各车站，提供车站到区内各镇街的接驳。
因此3号线开通后即成为广州市区最重要的南北向交通大动脉，乘客众多。在2006年当时线路延伸至番禺和支线开通后，高峰期列车已经出现挤迫的情况。现时3号线日均客流量已超过200万人次，其中番禺广场至天河客运站段已突破120万人次。而且3号线邻近的广州大道等主干道经常在高峰期出现严重交通挤塞，也令不少市民转投地铁。随着通往外围郊区的9号线及14号线的陆续开通，两线往市区一端的终点均接入3号线，令3号线北延段的客流压力百上加斤。再加上3号线客流水平与2号线相当，但3号线采用6节B型车编组，列车运力仅及2号线6节A型车编组的约72%。因此令3号线全天的载客量一直高居不下，更成为广州地铁最拥挤的线路之一。虽然3号线在早晚高峰实施多项增加运力的措施，但仍无法完全满足客流需求，高峰期列车仍然经常出现非常挤迫的情况，尤以客村至岗顶和同和至体育西路两段的最为严重。早高峰往市区方向的列车更是仍在番禺区和白云区内车厢就已经满载乘客，沿线乘客等候多班列车才能上车的情况更成为常态。
2014年6月份，3号线全线（含北延段）早高峰最大满载率高达136%，出现在客村站至广州塔站区间；到了2018年3月份，全线早高峰外围往市区方向满载率均超过100%，最大满载率仍超过120%，出现在燕塘站至广州东站区间。
2017年，3号线最高单日客流量达244万人，创全国纪录。而在广州地铁单日客流量最高纪录的2019年6月6日，3号线（包括北延线）客流量更达259万多人。
3号线自通车起（2005年），使用由南车株机-西门子合作制造的时速达120公里每小时的B型地铁列车（B1型），是中国大陆首款营运时速为120km/h的地铁列车。共生产了120辆，40列（3节编组）。后来随着提升本线服务班次、由原来营运的3节编组扩编为6节编组以及北延段的即将完工，亦再次向南车株机购买列车，共制造25列（150辆，B2型），之后再次增购26列（156辆，B4型）。现时3号线在籍列车共有71列。
B1型列车在投入初期以3节编组营运，后来编组过短运力不足造成乘车拥挤，以及在外界舆论双重压力下，在2010年4月20日终将3节编组扩编成6节编组，扩编的方式为将一列3节编组与另外一列3节编组的列车进行连挂，这亦导致了C车与C车车厢之间不贯通。而后来新购的B2型、B4型列车则直接制造成6节编组的列车，C车与C车车厢之间贯通。
2006年8月2日，石牌桥站正进行出入口通道的暗挖施工，软弱土层突然坍塌，事故共造成一死两伤。
2008年4月2日，三号线赤岗塔站下行方向屏蔽门发生故障，列车不能正常出入站，该故障导致三号线发生大面积晚点。
2009年3月20日清晨运营开始之时，三号线即出现通车以来最严重的信号系统故障，由于要完全排除故障需要重新启动信号系统，全线要停运两小时以上。考虑到早高峰期间停运影响太大，故只能减少行车班次，运营结束之后才能完全排除故障。
2009年5月15日，三号线北延段，人和至龙归之间的人-龙(三)盾构施工人员开舱检查时突遇不明气体，造成三人死亡。
2010年5月7日，林和西至广州东站由于北延段在建燕塘站积水严重，部分设备失灵被迫停运，5月8日该段恢复营运。8月9日8：42分，大塘至天河客运站发生信号故障，导致全线中断行车约14分钟。
2012年10月12日9时21分，北延段嘉禾望岗—龙归下行区间隧道遭地面违规钻探打穿隧道，钻管掉落隧道，致使两列列车车头玻璃受损，两度停运。
2013年10月2日9时08分，北延段再次遭钻管打穿隧道，事发地位于白云大道北站附近、往体育西路方向的隧道上方，钻管掉落隧道，所幸列车及时停车，未发生碰撞。事件导致三北白云大道北—永泰区间停运，同和站—体育西路站、机场南站—龙归站小交路运行，龙归站—嘉禾望岗站单线往返运行。9时52分后逐步恢复正常行车。
2015年3月19日7时40分，北延段永泰至白云大道北区间因信号系统故障导致大批乘客延误，持续约40分钟。
2015年4月25日17时56分，主支线天河客运站至客村段双向发生列车信号设备故障，导致行车间隔延长至10-20分钟，体育西路、客村等换乘站聚集大量客流；18时30分，地铁官方微博称“故障列车处理完毕，调度人员正在调整行车，行车间隔正逐步恢复正常。”
3号线东延段工程西起已开通运营的三号线番禺广场站站后折返线末端，沿亚运大道（原清河东路）向东延伸，在番禺汽车客运站南侧设置番禺客运站，下穿南沙港快速路后，在规划石基路路口设广州新城西站，在金光大道（规划路）路口设金光大道站，至京珠高速路-亚运大道立交西侧转向东南，之后向东下穿京珠高速路及轨道交通四号线高架，在亚运城媒体中心南侧设本线终点海傍站。目前番禺广场至海傍段作为广州市新一轮轨道交通（2015-2025）建设规划方案的线路之一，已于2017年3月下旬获国家发改委批复立项，工可报告亦在2018年1月上旬获批。2018年11月19日东延段正式开工建设。
3号线东延段（番禺广场～海傍）全长9.58km，共设4座车站，其中换乘站1座：海傍站与4号线换乘。全部为地下线，平均站间距2.38km，最大站间距为3.04km，为番禺客运站至广州新城西站区间；最小站间距1.9km，为广州新城西站至金光大道站区间。本线设停车场一座，位于番禺区市莲路南侧、长沙路东侧、亚运大道以北，与广州新城西站接轨。3号线东延段将增购60辆/10列列车。
在3号线当初的规划中，有计划延伸至海傍以东的海鸥岛。在2007年开展编制的轨道交通线网规划中，已规划三号线至海鸥岛，并预留延伸至东莞的条件。
但有市民担心建设地铁会破坏海鸥岛生态环境。在2016年底，广州“54个江心岛保护规划”方案获得市规委会通过，海鸥岛作为其中17个“限制开发类岛屿”之一。最终于2017年2月15日，广州市国土规划委官网在回复市民提问时，表示：“根据新一轮的轨道交通线网规划，三号线将东延至海鸥岛。”
另外，海傍与海鸥岛之间规划有广州新城东站，但因该站规划与另一条轨道交通线路换乘，站位需要统筹考虑设置，现时站位仍未稳定。
故此3号线东延段现时先建设海傍站以西的一段，以东往海鸥岛一段则留待未来继续规划。
根据广州市新一轮轨道交通（2015-2025）建设规划方案，未来支线段（天河客运站至石牌桥站）将拆离3号线，向西南延伸，经过越秀区、海珠区至荔湾区西塱结束，形成10号线。
届时拆解节点将位于天河路体育东路口东侧，即BRT石牌桥站西侧。但3号线建设时并没有预料到未来需要对支线进行拆解，从而未作出任何预留条件。故施工期间需要对拆解节点上方的天河路部分路面进行围蔽，并会对3号线支线的运营造成一定影响；同时受限于10号线规划走线，现有体育西路站的结构及周边建筑环境，10号线只能在体育中心南侧的天河路下方新建天河路站，并通过地下通道连通现有体育西路站实现换乘。拆解后，支线石牌桥前往体育西路的路段将会成为3、10号线的联络线，不再参与日常运营，仅供工程车或车务调动使用；而体育西路前往石牌桥的路段将会停用并废弃。
目前该工程已于2017年3月下旬获国家发改委批复立项，并于2018年11月19日正式开工建设。
