廣州地鐵3號線大致呈南北走向，全線長65.31公裡，包括一條主線和一條支線，共設30個站，是中國大陸首條運營時速達120km/h的地鐵線路。總投資為人民幣159.05億元。代表色為橙色。開通初期車廂編制為三節，後於2010年4月28日起全線升級為六節。
廣州地鐵3號線全線65.31公裡皆為地下段，是全世界所有地鐵當中地下段最長的。
三號線目前分主線及支線兩段。主線為機場北—番禺廣場，支線為天河客運站—體育西路，兩者在體育西路站交匯。主線起始於白雲區與花都區交界的新白雲國際機場2號航站樓地下，沿機場大道和機場高速南下，下穿高增種植園，再轉入106國道人和大馬路段，下穿流溪河後繼續沿106國道南下，經過均禾大道路口轉向南，抵達廣雲路西側的嘉禾望崗站。隨後線轉入華南快速繼續南下，轉入同泰路行走後進入廣州大道北一直南下，在白雲山東邊掠過。隨後在怡新路口轉向東南偏南，下穿燕嶺公園後到達廣州火車東站，通過林和西路地底，在天河體育中心西邊掠過，進入體育西路，華夏路，穿過珠江新城西部。再穿越珠江及海心沙，掠過廣州塔旁。隨後在廣州大道南東邊約六百米與其平行布置，下穿住宅區、海珠湖，經大塘安置區、瀝滘村，隨後下穿珠江南航道，進入番禺區。下穿廈滘村後沿新光快速路往市橋。沿光明路折向東至清河東路番禺廣場站終止。
支線則起於天源路天河客運站，向東南下穿華南理工大學（五山校區）與華南農業大學。於嶽洲路華南農業大學南門前設站並折向西南偏南，下穿華南理工大學及農科院附屬的住宅區、廣深鐵路及廣園快速路。在天河北路口以南重返五山路（天河科技街），再轉至天河路繼續往西行進。隨後經過華陽街口，再以一個圓弧型路段下穿天河體育中心，折向南至體育西路，接入主線。3號線目前設有兩個車輛段，與2號線共用嘉禾車輛段，位於嘉禾望崗站東北邊，3號線使用該車輛段的北半部；而專用的廈滘車輛段則位於廈滘站東邊。
3號線的車站的設計遵循「一線一景，一站一色」的規範，每一個車站均有各自的顏色，亦為廣州地鐵的特色。3號線體育西路至機場北沿線各站均設有航班信息顯示屏，供旅客實時查詢航班動態。3號線也會在嘉禾望崗至高增之間分別播報使用白雲國際機場一號航站樓與二號航站樓的航空公司，避免旅客誤機。