Сформирована 25 февраля 1943 г. на основании директивы Генерального штаба от 10 февраля 1943 г. в резерве Ставки ВГК. В неё вошли 3-й гвардейский и 29-й танковые корпуса, 5-й гвардейский механизированный корпус, 994-й легкобомбардировочный авиационный полк, артиллерийские, другие соединения и части.
Основные подразделения армии менялись на всём протяжении её существования. Как правило, в её состав входили два или более гвардейских танковых корпуса и один или более гвардейских механизированных корпусов.
Согласно военной доктринеКрасной Армии того времени, основная роль танковых армий состояла в развитии успеха крупных наступательных операций. При прорыве вражеской линии обороны (обычно ударной или комбинированной армией), танковая армия устремлялась в этот прорыв, атакуя тыловые подразделения и центральные узлы связи, тем самым, нарушая взаимодействие вражеских войск. Расстояния, покрываемые танковой армией, предполагались быть несколько сотен километров.
В 1943 году армия сыграла значительную роль в Курской битве, приняв участие во встречном сражении у Прохоровки. В этот период армия была в подчинении Степного фронта с общим приблизительным количеством танков в 850 единиц.
В июне 1944 года 5-я гвардейская танковая армия была использована в качестве основного подразделения для развития успеха во время летнего наступления советских войск в ходе операции «Багратион». Формирование было введено в наступление после прорыва вражеской обороны стрелковыми дивизиями 11-й гвардейской армии, в ходе чего завершило окружение Минска и освободило город. Далее армия приняла участие в операции по освобождению Вильнюса. Большие потери в этой операции, однако, привели к тому, что командующий армией маршал бронетанковых войск Павел Ротмистров был освобождён от должности и заменён Василием Вольским.
В конце 1944 года, в ходе наступления советских войск в Прибалтике, 5-я гвардейская танковая армия была использована против 3-й немецкой танковой армии, результатом чего стало окружение немецких войск в районе Мемеля.
32-я мотострелковая бригада (командир — полковник Михаил Емельянович Хватов, до 28 июня 1943 и. о. комбрига был его начальник штаба подполковник Илья Александрович Стуков);
Калашников К. А., Додонов И. Ю. Высший командный состав Вооружённых сил СССР в послевоенный период. Справочные материалы (1945—1975 гг.). Том 3. Командный состав танковых войск. Усть-Каменогорск: «Медиа-Альянс», 2017. — ISBN 978-601-7887-15-5. — С. 565—571.
Феськов В. И., Калашников К. А., Голиков В. И. Красная Армия в победах и поражениях 1941-1945 гг.. — Томск: Издательство Томского университета, 2003. — 619 с. — ISBN 5-7511-1624-0.
Коллектив авторов. Вооружённые Силы СССР после Второй мировой войны: от Красной Армии к Советской. Часть 1: Сухопутные войска. — Томск: Издательство Томского университета, 2013. — 640 p. — ISBN 978-5-89503-530-6.
Ротмистров П. А. Стальная гвардия.
Егоров П. Я., Кривоборский И. В., Ивлев И. К., Рогалевич А. И.Дорогами побед. — М.: Воениздат, 1969.