Vào tháng 4 năm 1995, kênh VTV3 được phát sóng thử nghiệm, được phát chung băng tần với VTV1 và VTV2 theo những khung thời lượng cố định dành cho mỗi kênh, nội dung là Thể thao - Giải trí - Thông tin kinh tế. Kênh được phát chung với băng tần của đài Hà Nội trên kênh 6 VHF vào mỗi tối (tại Hà Nội).

Kênh VTV3 sau đó tách ra riêng từ ngày 31 tháng 03 năm 1996 với thời lượng phát sóng từ 12h00 đến 24h00 trong các ngày từ thứ 2 đến thứ 6, và từ 10h00 đến 24h00 trong các ngày thứ 7 và Chủ nhật. Vào ngày 31 tháng 03 năm 1998, kênh VTV3 được tách ra riêng tiếp trên vệ tinh. Đến 2001, kênh được phát sóng từ 06h00 đến 24h00 hàng ngày. Từ ngày 01 tháng 09 năm 2006, kênh được phát sóng chính thức liên tục với thời lượng 24/7.[1]

Ngày 31 tháng 03 năm 2013, kênh VTV3 thử nghiệm phát sóng chuẩn độ nét cao HD. Đến ngày 01 tháng 06 cùng năm, kênh phát sóng chính thức kênh VTV3 HD, trở thành kênh truyền hình quảng bá đầu tiên tại Việt Nam và là kênh truyền hình đầu tiên của Đài Truyền hình Việt Nam phát sóng theo chuẩn HD.

Vào ngày 01 tháng 10 năm 2013, Đài Truyền hình Việt Nam tách phòng Thể thao ra khỏi Ban Thể thao - Giải trí - Thông tin kinh tế, thành lập Ban Sản xuất các chương trình Thể thao (cùng với phòng Thể thao của Ban Thời sự). [2] Đến ngày 07 tháng 09 năm 2014, Ban Thể thao - Giải trí - Thông tin kinh tế được đổi tên thành Ban Sản xuất các chương trình Giải trí. [cần dẫn nguồn]

Đến ngày 16 tháng 09 năm 2016, kênh VTV3 chính thức phát sóng HD toàn thời gian (Full HD 1080i), thay cho phát sóng HD bán thời gian (tín hiệu chủ yếu là 576i, chỉ phát chuẩn 1080i với 1 số chương trình, sự kiện trực tiếp).