建前规划
1997年规划中，当时的方案B，广州地铁5号线环线的东段，体育西路至客村一段，即为现时广州地铁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，同时连接新白云国际机场和广州火车东站的机场快线出现了，除北延段的路线走向基本确定。
2003年初步方案中，机场快线被并入广州地铁3号线中，并改为大致沿白云山东边布置。南端也得以大幅延长，从番禺广场向东到达规划广州新城後，沿京珠高速继续向南，到达南沙。后来2003年方案局部修改，广州地铁3号线和广州地铁4号线交换广州新城（现海傍站）以南及以东的路段，同时北段走线亦被修改，全线走向也基本得以定型。
2007年5月14日，广州地铁3号线北延段（原机场快线）原有17.03公里高架路线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。
动工建设
2001年12月26日，广州地铁3号线动工。
2003年1月26日，广州地铁3号线首座封顶车站大塘站封顶，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，
2月8日，首个开工区间“市桥-番禺广场”盾构始发。
2004年8月9日，“大汉-汉溪”区间右线贯通，成为广州地铁3号线首通段贯通的区间。
2005年12月26日，广州地铁3号线首通段（广州东站至客村）正式开通。
2006年6月6日，“市桥-番禺广场”区间贯通，标志着该广州地铁3号线一期隧道全线贯通；11月30日，运营事业总部正式接管“天河客运站-体育西站”，实现三权移交；12月30日，广州地铁3号线一期全线通车。行车交路更改为：天河客运站至番禺广场，广州东站至体育西路。
2008年7月28日，国家发改委正式批复广州地铁3号线北延段工程可研报告。
2009年5月21日，广州地铁3号线北延段首个双线贯通“机场南至高增”区间贯通；11月20日，燕塘站主体结构完成；11月29日，“广州东站至燕塘”区间铺设轨排，标志着广州地铁3号线北延段工程施工正式开始。
2010年1月28日，首列广州地铁3号线北延段的地铁列车开始交付；2月19日，广州地铁3号线北延段施放第一条接触线；4月20日，“广州东站至体育西路”开始采用6节编组新车；4月20日，“燕塘-梅花园”双线贯通，标志著北延段全线贯通；4月28日，番禺广场至天河客运站段开始采用6节编组新车；4月30日，嘉禾车辆段第一次冷滑测试且取得成功；6月26日，广州地铁3号线北延段开始热滑试验；7月7日，广州地铁3号线北延段试运行；7月18日，广州地铁3号线北延段短轨贯通；7月30日，广州地铁3号线北延段长轨贯通，铺轨工作全部完成；10月30日，广州地铁3号线北延段全线贯通试运营，使广州地铁3号线中国最长的地铁线路。
