1933年，中央革命根据地进入军事建设关键期，为适应大规模反“围剿”作战需求，中共中央军委推行“大军大师”改编计划，核心是取消军一级编制，将分散的“小军小师”整合为编制充实、战斗力集中的主力师。红3师正是在此背景下，于1933年6月7日以红4军教导队、红4军警卫团、东南战区模范团、瑞金模范师为核心正式组建，师长周昆，政委伍修权，政治部主任庄田，兵员以赣南、闽西根据地翻身农民为主，政治素质与战斗意志较强名义上归入红1军团序列，但成立后未实际归建，长期独立执行作战与根据地建设任务，1933年9月红9军团成立后，正式纳入红9军团建制成立时总兵力4200余人，辖3个团，第7团长龚楚，第8团长刘雄武，第9团长王玉洪，全师共4200余人。该师装备以缴获的步枪、土枪为主，配备少量轻机枪（约12挺）、迫击炮（2门），弹药靠战场缴获补充；红7团（原红4军警卫团）因战斗力突出，被授予“红军模范团”称号。
1933年6月改编完成后，红3师开赴瑞金壬田镇开展为期1个月的集中整训，重点强化队列、射击、战术协同训练，提升部队正规化水平。
1933年夏，奉命进入福建武北地区（今武平北部），执行“打土围子、建根据地”任务。部队采取“军事打击+政治宣传”相结合的方式，两个月内攻破地主武装盘踞的土围子9个，俘虏地主武装90余人，缴获土枪200余支、步枪20余支，同时发动群众建立苏维埃政权，扩大红色根据地范围，部队实战能力得到显著提升。
1933年9月—12月，参加第五次反“围剿”初期作战。9月，第五次反“围剿”正式爆发，罗炳辉、蔡树藩分别接任师长、政委，红3师编入新成立的红9军团（辖红3、14师），罗炳辉兼军团长，蔡树藩兼军团政委。11月，云盖山大雄关战斗期间，为掩护红1军团北上机动，红3师奉命进驻南丰、黎川、新丰街三角区域开展游击作战，牵制国民党军兵力，成功完成掩护任务。12月，红3师与红14师在黎川樟树村举行红9军团成立誓师大会，明确军团作战使命；此后4个月，部队主要任务转为练兵与构筑广昌防御工事，未参与大规模战斗，为后续防御作战做准备。
1934年3月，国民党军调集重兵进攻广昌，红3师奉命坚守东华山阵地，面对数倍于己的敌人，依托简易工事顽强抵抗，因寡不敌众被迫撤出，伤亡约500人。4月，国民党军沿盱江兵分两路进攻广昌，红3师与红5军团第13师组成东集团，在盱江东岸策应西岸主战场作战。4月28日，国民党军突破全部防线，广昌失守，红3师被迫撤退，此时全师仅剩2800余人。广昌战役后，红14师因损失过重被撤销番号，余部约1200人补入红3师，同时补充瑞金、兴国等地新兵，红3师兵力恢复至4652人，重新成为满编主力师。
1934年9月—10月，参加松毛岭保卫战与长征出发。9月，为保卫中央苏区核心区域瑞金，红3师奉命协同红24师守卫长汀县松毛岭（中央苏区东线最后一道防线）。战役中，国民党军集中炮火与兵力猛攻，红3师官兵浴血奋战，第9团团长王玉洪在激战中牺牲，全师伤亡约800人，成功迟滞国民党军进攻，为中央红军主力转移争取时间。10月16日，红3师随红9军团从长汀出发，正式踏上长征之路。此时红22师编入红9军团建制，军团部与红3师师部合并，另有凯丰、王首道为首的30余人地方工作团加入。长征进入湖南境内后，红22师仅剩1000余人，被调往搬运物资，红9军团实际仅剩红3师一个作战师。
1934年10月长征途中，红9军团（主力为红3师）始终担任中央红军主力侧后掩护任务，负责阻击追兵、收容掉队人员，因行军路线相对独立，未参与惨烈的湘江战役，主力得以完整保存。
1935年1月，遵义会议召开，会议讨论红军整编方案，为精简指挥体系、提升机动能力，决定撤销红3师番号，其下辖的第7、8、9团改由红9军团直辖。至此，红3师历时1年7个月的征战历程正式结束，部队建制融入红9军团，继续参与后续长征作战。
历任师长：
周昆（1933年6月-1933年10月，1938年失踪）
罗炳辉（1933年10月-1935年1月，1946年病逝）
历任政委：
伍修权（1933年6月-1933年10月）
蔡树藩（1933年10月-1935年1月）