閻錫山1927年1月 – 1937年9月，蔣介石任命 無

北伐時期

由晉系軍隊發展演變而成。1927年初，北伐節節勝利，閻錫山更帆換向，下令取消北京政府任命之督辦名義，改成晉綏軍總司令，並聲言響應北伐。1927年4月25日，武漢國民政府軍事委員會將晉軍改編為國民革命軍第三集團軍，任閻錫山為總司令。而閻錫山認為武漢政府“為共產黨所操縱”，拒絕武漢政府的任命。1928年5月，直魯聯軍第6軍軍長徐源泉率部投蔣後，所部被改編為國民革命軍第3集團軍第六軍團。

南京國民政府隨後任命閻錫山為北方國民革命軍總司令，閻錫山欣然接受，並於6月6日在太原宣誓就職。1928年2月28日，國民政府第42次會議議決，將晉閻軍改編為國民革命軍第三集團軍，閻錫山為總司令。1929年5月，國民革命軍第二十師師長韓復榘背叛馮玉祥，投靠蔣介石。

1930年2月，閻錫山致電蔣介石，要求共同下野，由汪精衛領導改組擴大會議，以示公平，蔣拒絶。閻、蔣雙方電報往復，持續將近一月，時稱「電報戰」。3月，南京國民政府召開中國國民黨第三屆中央全體會議，開除汪精衛黨籍。閻錫山通電要蔣下野，各地反蔣軍閥起而響應。3月15日，原第二集團軍、第三集團軍及第四集團軍57名將領，派代表赴太原商討反蔣，列出蔣介石六宗罪行，推閻為「中華民國陸海空軍總司令」，李宗仁、馮玉祥及張學良為副總司令。4月，蔣回南京赴津浦鐵路巡視；赴平漢鐵路檢閱。4月1日，閻錫山、馮玉祥及李宗仁分別在太原、潼關、桂平宣布就職，石友三再度倒戈加入反中央軍，惟張學良未表態。4月5日，南京國民政府下令通緝閻錫山。

16-2湘軍第53師組成的第16軍

第十六軍前身是湘系軍閥所屬第53師。1930年初，在中原大戰之前，蔣介石為加強所屬部隊的作戰力量，將湘軍第53師擴編為第十六軍，李韞銜任軍長，下轄第五三師，李韞銜兼任師長。在第三集團軍的編成內參加了中原大戰。

1930年11月中原大戰-失敗後，所部為張學良改編，第三集團軍瓦解。

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抗日時期

1937年8月，抗日戰爭爆發後，第十二軍參加了津浦路北段沿線之作戰。

1937年8月中旬由駐紮在山東省的中國軍隊奉令編組而成，首任集團軍總司令為韓復榘、副總司令為於學忠和沈鴻烈，下轄第十二軍、第五十五軍、第五十六軍和第五十一軍，屬第五戰區指揮管轄，其中孫桐萱為軍長的第十二軍、谷良民為軍長的第五十六軍和曹福林為軍長的第五十五軍是其基本部隊。

再度組建: 1937年9月

韓復榘

1937年9月 – 1938年1月 津浦線戰役

1937年10月，因應中國抗日戰爭需要，第六軍隸屬國民革命軍第三集團軍。1938年1月，韓復榘因抗戰不力被蔣介石槍斃，第六軍番號撤銷。

于學忠1938年1月 – 1938年6月 徐州會戰

1938年初，韓復榘因對日作戰不利被國民政府軍事委員會下令處決，於學忠繼任該集團軍總司令。該集團軍曾參加台兒莊會戰外圍作戰，第五十一軍第一一四師師長方叔洪、第一○二師第三○六旅旅長扈先梅均在作戰中陣亡殉國。

1938年6月，孫桐萱升任第三集團軍總司令後仍兼第十二軍軍長，劉書香任副軍長，隸屬第三集團軍。轄第二十師，週遵時任師長；第八十一師，展書堂任師長。同時，將撤消的第五六軍第二二師轉隸第十二軍。

孫桐萱

1938年6月 – 1943年2月 武漢會戰

1938年夏，第三集團軍調歸第九戰區指揮管轄，集團軍總司令為孫桐萱，但因第五十六軍番號撤銷(其第二十二師編入第十二軍，第七十四師編入第五十五軍)，而第五十五軍加入第二集團軍，第五十一軍加入第三十一集團軍，僅轄第十二軍，後該集團軍在江西參加武漢會戰。

1938年至1941年間，第十二軍先後參加了徐州會戰、武漢會戰、冬季攻勢和豫南會戰等作戰。

1939年冬季攻勢  豫南會戰

1939年初，第三集團軍調歸第一戰區指揮管轄，自此長期駐守河南。

1942年12月第三集團軍總司令兼軍長孫桐萱因反對蔣介石的內戰政策，被蔣以述職為由騙到重慶，隨後監禁，免去集團軍總司令和軍長職務。

張雪中1943年2月 – 1943年3月 無

1943年3月撤銷。

至1943年夏，第三集團軍只轄有第十二軍的第二十師、第二十二師、第八十一師。

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孫桐萱被國民黨政府藉故撤職扣壓，第十二軍被編入中央嫡系湯恩伯的第三十一集團軍，至此，原由韓復榘部隊為主組成的第三集團軍消失。

重新組建: 1943年9月

李鐵軍1943年9月 – 1944年2月 無

趙壽山1944年2月 – 1946年11月 無

第三集團軍的番號被轉給中央嫡系胡宗南所控制的第八戰區的部隊，集團軍總部設在甘肅武威，總司令為李鐵軍，下轄第九十一軍的暫五十八師、騎十師、新編第四師等部，李鐵軍調任國民革命軍第二十九集團軍總司令後，集團軍總司令名義上由第四集團軍第三十八軍軍長趙壽山將軍繼任，但實權控制在副總司令於達手中。趙原系楊虎城舊部，此次被蔣介石以升官名義調離原部隊，剝奪了兵權。