После принятия танка ИС-3 на вооружение 29 марта 1945 года и постановки машины на серийное производство в мае того же года на Челябинском Кировском заводе, она стала поступать на вооружение танковых войск Красной Армии. В первую очередь танки ИС-3 передали на вооружение танковых полков в Группу войск в Германии, а затем и в другие части.

Танки ИС-3 прошли по улицам поверженного Берлина 7 сентября 1945 года, приняв участие в параде союзных войск в честь окончания Второй мировой войны. Впервые на параде в Москве новые танки ИС-3 показали 1 мая 1946 года.

Поступление танка ИС-3 в армию совпало с новой организационной перестройкой частей. Оргштатная реорганизация танковых войск после окончания Великой Отечественной войны 1941-1945 годов была начата с приведения наименования их организационных форм в соответствие с боевыми возможностями, а также названием соответствующих форм стрелковых войск.

ИС-3 использовались при подавлении Венгерского восстания 1956 года. Потери машин были единичные. Венгерские события стали единственным эпизодом участия этих танков в боевых действиях в составе ВС СССР. ИС-3 практически не поставлялись союзникам СССР по Варшавскому договору. Два танка были в 1946 году переданы Польше для ознакомления с конструкцией машины и подготовки инструкторов.

Впоследствии танки использовались на парадах и в качестве учебных вплоть до 1970-х годов. Еще один танк был в 1950 году передан Чехословакии. Наибольшее же количество ИС-3 было поставлено в Египет, получивший в общей сложности 100 машин как базовой модификации, так и ИС-3М. Первые из них поступили в конце 1950-х годов, основная же часть танков была поставлена в 1962-1967 годах.

В составе египетской армии ИС-3 применялись в ходе Шестидневной войны 1967 года. Значительных успехов в ходе той войны ИС-3 не достигли, находясь, как правило, в руках малообученных экипажей и действуя в условиях высокоманевренной войны против более подвижных и в целом современных танков противника, обладавшим вдобавок более высоким темпом огня, такими как «Центурион» или M48.

При отступлении же египетские войска попросту бросили свои танки, включая ИС-3, всего египтяне в той войне потеряли 72 танка этого типа, больше половины из которых было брошено в исправном состоянии. К Войне Судного дня 1973 года в египетской армии еще оставался один полк, укомплектованный ИС-3, но сведений об участии его в той войне нет.

Некоторое количество подбитых или брошенных египтянами в 1967 году машин было захвачено Армией обороны Израиля и эксплуатировалось в составе собственных бронетанковых сил до начала 1970-х годов как в качестве боевых машин, так и танковых тягачей.

В боевых действиях в качестве танков ИС-3 израильтянами не применялись, но несколько машин с демонтированными двигателем и трансмиссией, на месте которых размещались дополнительные боеприпасы, использовались в 1969-1970 годах в ходе Войны на истощение в качестве неподвижных огневых точек, причем два из них после израсходования боеприпасов были вновь захвачены египетскими войсками.

Значительное количество ИС-3 было передано КНДР, в 1960-х годах на вооружении Корейской народной армии имелось по меньшей мере два полка, вооруженных ими.