Была сформирована 1 августа 1942 года на основании Директивы Ставки ВГК № 994124 от 22 июля 1942 года на базе 28-й армии Юго-Западного фронта, понесшей тяжелые потери в харьковском наступлении в мае 1942[2][a].
Не закончив формирование, армия принимала участие в контрударе Сталинградского фронта по группировке противника, прорвавшейся к Дону севернее Калача-на-Дону. В ходе трёхдневных боёв совместно с 1-й танковой армией 4-я ТА остановила наступление противника, сорвав его попытки с ходу форсировать Дон и пройти к Сталинграду[источник не указан 971 день]. По другим данным, действия советских танковых армий успеха не имели. 1-я и 4-я танковые армии были остатками Юго-восточного фронта, не полностью восстановленными после катастрофы под Харьковом. Всего в для контрудара было сосредоточено три танковых корпуса и две танковые бригады — примерно 550 танков, более половины из которых составляли Т-34 и КВ-1. Слабо подготовленное контрнаступление было остановлено с большими потерями от огня противотанковой артиллерии противника (на илл.)[2].
Затем армия наряду с другими войсками фронта вела оборонительные бои в малой излучине Дона (на илл.). Действия армии успеха не имели. В 12-00 16 августа танки боевой группы (Kampfgruppe) Штрахвица из состава 16-й танковой дивизии вышли к командному пункту Крючёнкина и уничтожили его, что сделало невозможным эффективное управление войсками на плацдарме. К вечеру 17 августа армия утратила боеспособность[3][b].
22-й и 23-й танковые корпуса, 18-я стрелковая дивизия, 133-я танковая, 5-я истребительная бригады, отдельные части.
4-я танковая армия была сформирована 15 июля 1943 года на основании приказа Ставки ВГК № 46194 от 26 июня 1943 года на базе 19-го кавалерийского корпуса.
20 июля армия была включена в состав Западного фронта, с 30 июля — Брянского фронта. В составе данный фронтов армия участвовала в Орловской операции.