5-я танковая армия сформирована 05.06.1942 года в Московском военном округе в составе: 2-й, танковый корпус, 11-й танковый корпус, 340-я стрелковая дивизия, 19-я отдельная танковая бригада, артиллерийские и другие части. В начале июля 1942 года в составе Брянского фронта была усилена 7-м танковым корпусом.

06.07.1942 года 5-я танковая армия нанесла удар по северному флангу прорвавшегося к городу Воронежу противника в направлении на Землянск и Хохол. Немецко-фашистские войска были втянуты в затяжные бои, потеряли запланированный операцией «Блау» темп наступления. Попытки врага расширить прорыв к северу от Воронежа вдоль реки Дон были сорваны. 5-я танковая армия понесла большие потери в людях и технике.

15.07.1942 года приказом Ставки Верховного Главнокомандования выведена в тыл и расформирована, части и соединения переданы Воронежскому фронту и Брянскому фронту. 2-й раз 5-я танковая армия сформирована в сентябре 1942 года в составе Брянского фронта. В октябре 1942 года 5-я танковая армия передана Юго-Западному фронту и приняла участие в Сталинградской битве. 20.04.1943 года была расформирована.

Командующие: генерал-майор А.И. Лизюков (июнь - июль 1942 года); генерал-майор П.П. Романенко (сентябрь - декабрь 1942 года); генерал-лейтенант М.М. Попов (декабрь 1942 года – январь 1943 года); генерал-лейтенант И.Т. Шлемин (январь - апрель 1943 года).