现时这些机车大多数均配属上海铁路局及武汉铁路局、北京铁路局、济南铁路局、西安铁路局等，2007年4月起投入货运服务，主要行走京沪线、京广线等。 另外，为了缓解目前我国铁路电力客车运力不足的状况，部分HXD3开始于2009年担当客运牵引任务，并且部署到某些客运机务段，如上海铁路局上海机务段等。
首240辆HXD3型机车分别配属上海铁路局南京东机务段（125台）及武汉铁路局江岸机务段（115台），2007年4月起投入服务，成为中国铁路第六次大提速中干线货运重载、快捷运输的主型电力机车，主要担当牵引京沪线、京广线上的5500吨重载货物列车，并接替了一些由美国制ND5型柴油机车牵引的货运车次。
在2008年8月起出厂的第三批新机车（HXD 30241～）中，目前已出厂的大多数被分配予上海铁路局南京东机务段和北京铁路局丰台机务段，一部分配属于郑州铁路局郑州机务段、武汉铁路局江岸机务段和济南铁路局济南西机务段青岛运用车间。
2008年12月10日起，上海铁路局上海机务段开始支配少部分南京东机务段的HXD3型机车，担当部分沪昆铁路上海南 - 株洲间的旅客列车机车交路。
由大同厂制造的首批机车（HXD 38001～）会于2009年底起配属济南铁路局。
目前HXD3所配属的机务段有：上局宁东段、武局江段、郑局郑段、郑局洛段、京局丰段、济局西段、广铁株段、西局新段、西局西段、兰局兰段、南局向段、沈局锦段。
