Приказом НКО СССР № 57 от 7 февраля 1943 года 4-й танковый корпус преобразован в 5-й гвардейский танковый корпус.

В состав корпуса вошли 20-я, 21-я, 22-я гвардейские танковые и 6-я гвардейская мотострелковая бригады. До 16 февраля 1943 г. корпус принимает участие в Харьковской наступательной операции, освобождает Харьков. С 25 февраля 43-го части корпуса во взаимодействии с 309-й стрелковой дивизией  в район Опошня, что создало благоприятные условия для взятия Полтавы. 5 марта 1943 года корпус, подвергшись внезапному удару противника, организованно отходит, оставив нас.

К 22 апреля 1943 году корпус, находясь в резерве командующего войсками Воронежского фронта, сосредотачивается в районе южнее Обояни. С 6 июля 1943 года сдерживает натиск противника на рубеже восточнее нас. п. Яковлево, Покровка (Курская битва). Но противник прорывает оборону. 7–8 июля части корпуса ведут тяжелые бои на Обоянском направлении. С 10-го июля — в резерве командующего войсками Воронежского фронта. 

6 ноября 1943 года части корпуса во взаимодействии с корпусами 3-й танковой армии овладели городом Киев. Приказом ВГК от 7 ноября 1943 года за отличия в боях при освобождении Киева присвоено почётное наименование «Киевский». 

В январе 1944 года корпус включен в 6-ю танковую армию (с 12 сентября — 6-я гвардейская), в которой вёл боевые действия до конца войны. В конце января — феврале 1944 года корпус принимает участие в Корсунь-Шевченковской операции. 

С 6 марта 1944 года, участвуя в Уманско-Ботошанской операции, части корпуса наносят удар по опорному пункту противника Хрестиновке и в дальнейшем наступают на Вапнярку. Особенно успешно корпус действовал летом 1944 года в составе Второго Украинского фронта в Ясско-Кишиневской наступательной операции и в последующем наступлении в центральных и западных районах Румынии. 

17 мая 1945 года за отличия в боях при освобождении Вены (13 апреля) корпус награжден орденом Кутузова 2-й степени.