空3师的前身空军驱逐第3旅于1950年10月5日在沈阳组建。该旅由原华北军区步兵独立第209师改编而成，5航校校长方子翼（后任广空副司令员）为首任旅长，原步兵 209师师长高厚良（后任空军政委）为首任政委，209师副师长纪亭榭（后任海航副司令员）任副旅长，209师参谋长王福平任旅参谋长，209师政治部主任罗平（后任济空副政委）任旅政治部主任，梁璞（曾任空军参谋长）为旅副参谋长。
  
以原步兵209师625、626、627团为基础，在接收第4、5、6航校1期甲班提前毕业学员以后，空3旅组建了第7、8、9三个飞行团。后按照空军命令，将原3团制改为2团制，将第7团调归空4师，将原第8团改为第7团番号。旅长方子翼不久调空4师任师长，空4师10团团长夏伯勋（后任济空副司令员）接任代旅（师）长。
  1950年11月7日，空3旅正式改为空3师。空3师成立时，共有各类人员3183名，其中飞行员59名，地勤人员280名，装备米格 -15飞机59架、雅克-12通信机2架。
1951年10月19日，空3师在代师长袁彬（后任南空司令员）、政委高厚良率领下，抽调50架米格-15开赴安东前线参战。
  在抗美援朝空战中，先后涌现出了林虎、刘玉堤、赵宝桐、王海、孙生禄、孟进、范万章、刘志田、孙景华、罗沧海等战斗英雄和9团1大队“王海大队”、7团3大队1中队“赵宝桐英雄中队”这样的英雄集体。在整个抗美援朝作战期间，空3师共有63名飞行员参战，共战斗起飞255批3465架次，起落敌机87架、击伤27架，被敌击落43架、击伤18架，牺牲飞行员18名。
  
抗美援朝战争结束以后，空3师于1953年8月组织全师经过昼间复杂气象条件飞行训练，成为人民空军第一个能在“昼复”条件下作战的航空兵部队。
1954年3月，空3师由沈阳移防浙江嘉兴，先后参加了支援解放浙东沿海岛屿的登陆作战以及夺取福建、粤东地区沿海制空权斗争和随后的国土防空作战。
  1956年11月10日夜，该师领航主任张滋驾驶米格-17飞机由浙江嘉兴起飞，在肖山地区上空击落国民党空军C-46运输机1架。著名战斗英雄王海（后任空军司令员）1953年至1965年先后担任该师副师长、师长。
空3师还是人民空军第一支装备进口米格-21和国产歼-7战斗机的部队，20世纪90年代，该师同样也是人民空军第一支装备进口第3代主战飞机的部队。
  
60年代空3师还先后派出作战分队赴广西、云南边境参加轮战，击落美军无人驾驶高空侦察机6架。
据空军司令员王海上将回忆，1956年6月他接替方槐担任空3师师长时，空3师以浙江嘉兴为基地，担负保卫上海、杭州等目标的防空作战值班任务。同年11月下旬，遵照空军命令，他亲率空3师9团由嘉兴转场至路桥机场，负责保卫路桥、舟山和三者岱海军基地，一个月后归建。
  
1958年夏台海局势一度紧张，空3师又紧急转场至广州，于7月份进驻沙堤机场，后转到惠阳、汕头，无战果，1959年4月全师返回浙江杭州笕桥。
1961年和1964年，空3师根据空军统一部署，两次组织9团和7团进驻福州参加轮战锻炼。1964年11月，空3师9团相继派出米格-21作战小分队，分赴广西南宁、江西向塘、云南昆明、广东兴宁和云南蒙自等地执行分点作战任务。
  
据王海上将回忆录《我的战斗生涯》第197页记载，“当时，我空军装备最先进的战斗机是歼-7飞机，而且全空军只有我们空三师装备了这种飞机。”。