В первые бои танковые армии пошли именно в смешанном составе. Неудачно дебютировавшая 5-я танковая армия Лизюкова первоначально состояла из двух танковых корпусов, стрелковой дивизии, отдельной танковой бригады, ряда артиллерийских и других частей. 3-я танковая армия в Козельской операции (август 1942 г.) имела два танковых корпуса, отдельную танковую бригаду и три стрелковые дивизии. Применявшиеся для контрударов под Сталинградом (август 1942 г.) 1-я и 4-я танковые армии действовали в составе двух танковых корпусов, одной—двух стрелковых дивизий, отдельной танковой бригады, артиллерийских и других частей. Обновленная 5-я танковая армия в контрнаступлении под Сталинградом (ноябрь 1942 г.) имела два танковых и один кавалерийский корпуса, отдельную танковую бригаду, шесть стрелковых дивизий и другие части.
Однако практика первых сражений показала, что прямое перенесение опыта противника на свою армию не дает нужного эффекта. Наличие в составе танковых армий соединений с различной степенью подвижности затрудняло ведение боевых действий при развитии наступления в оперативной глубине. Опыт проведенных операций показал необходимость создания однородных, высокоподвижных, обладающих большой ударной силой и огневой мощью танковых объединений. Чтобы танковые армии могли добиваться больших результатов, чем в операциях зимней кампании 1942/43 гг., их требовалось освободить от немоторизованных стрелковых соединений, повысить подвижность артиллерии, тыла, придать армии инженерные средства. Здесь сказывалась разница в теории использования крупных механизированных соединений. Советская теория предусматривала ввод танковых соединений в прорыв, образованный общевойсковыми армиями. Танковые армии вводились в сражение обычно в первый или второй, а иногда даже и на третий день операции. Происходило это, как правило, на глубине от 3–8 до 15–20 км. В Витебско-Оршанской и Восточно-Прусской операциях 5-я гвардейская танковая армия была введена в сражение на глубине до 25–30 км. Немцы чаще ставили танковые корпуса в одну линию с армейскими корпусами. Соответственно танковые и моторизованные дивизии вермахта чаще всего вводились в бой с самого начала сражения.
Формирование танковых армий однородного состава началось в соответствии с постановлением Государственного Комитета Обороны в январе 1943 г. Первой танковой армией однородного состава стала 5-я гвардейская танковая армия. Она была сформирована заново, не являясь прямым наследником 5-й танковой армии. К началу апреля по новой организации сформировал 1-ю и 2-ю танковые армии. В дальнейшем танковые армии формировались только однородными по составу. По директиве Ставки от 14 мая 1943 г. была переформирована в однородном составе 3-я танковая армия, в период с 4 по 18 июля — 4-я танковая армия и в январе 1944 г. — 6-я танковая армия.
В танковую армию однородного состава, как правило, входили: один—два танковых и один механизированный корпуса, отдельные танковая и самоходно-артиллерийская бригады, артиллерийские соединения (части), части боевого обеспечения, части и учреждения тылового обеспечения и обслуживания. Все боевые соединения и части обладали примерно одинаковой скоростью движения и одинаковой проходимостью, что облегчало управление войсками армии и значительно увеличивало ее маневренность. В дальнейшем подчинение танковым армиям стрелковых дивизий носило эпизодический характер, и было вызвано необходимостью усилить пехотную компоненту армии. В половине проведенных операций танковые объединения имели два или три корпуса. Боевой опыт показал преимущества трехкорпусного состава, позволявшего увеличить возможность решения армией поставленных боевых задач. Поэтому к концу войны практически все танковые армии имели трехкорпусной состав. По штату в танковой армии насчитывалось около 800 танков и САУ и до 750 орудий, минометов и боевых машин реактивной артиллерии.