Swój bieg zaczyna od skrzyżowania z ul. Juliusza Słowackiego. Następnie biegnie obok budynku nowego Dworca PKP, dworca autobusowego (plac Wilhelma Szewczyka), pod dworcową estakadą, krzyżuje się z ul. Młyńską (dawniej Mühlstraße), ul. Pocztową, ul. Św. Jana i ul. Dyrekcyjną (deptak). Kończy swój bieg przy skrzyżowaniu z ulicami Andrzeja Mielęckiego i Mariacką Tylną, za którym zamienia się w deptak (jako ul. Mariacka). Kwartał ulic: Św. Jana, Dworcowa, Mariacka, Andrzeja Mielęckiego, Stanisława i Starowiejska w zamyśle władz Katowic ma się stać tzw. "małym rynkiem".

U zbiegu ulic Dworcowej i Pocztowej powstała pierwsza przychodnia w Katowicach (w budynku zwanym Białą Willą). W latach międzywojennych pod numerem 5 swoją siedzibę miała dyrekcja kolei, a pod numerem 9 − "Bar Bufet", którego właścicielem był Jan Strużyna. Przy ul. Dworcowej do 1939 działały: kawiarnia Grang (ul. Dworocwa 11), sklep z wódkami Destylacja Filipa Taterka (ul. Dworocwa 17), hotel "Central" z 30 pokojami (ul. Dworcowa 11), restauracja "Kaiser-Automat" Karola Kriegera (ul. Dworcowa 11), restauracja Monopolowa (ul. Dworcowa 7), jadłodajnia Mleczarnia Zdrowia (ul. Dworcowa 13), Bank Agrar u Commerzbank (ul. Dworcowa 13), Dresdener Bank (ul. Dworcowa 3), Kolejkowa Kasa Oszczędności (ul. Dworcowa 18, Książnica Śląska − antykwariat i wypożyczalnia książek (ul. Dworcowa 18). W hotelu "Central" (obecnie "Diament") początkiem lat dwudziestych XX wieku swoją siedzibę miał Niemiecki Komisariat Plebiscytowy.
W 1945 powstała Dworcowa Kawiarnia i Restauracja pod numerem 9, bar Cristal (pod numerem 14), kawiarnia Skala (pod numerem 13). W latach sześćdziesiątych XX wieku pod numerem 9 istniał antykwariat Domu Książki.
Planowana jest budowa parkingu podziemnego w rejonie ulicy Dworcowej i starego dworca. Planowane jest również wybudowanie pawilonu promocji stolicy województwa i przebudowa ulicy. Na ulicy Dworcowej świętowano 140-lecie Katowic.
W ramach przebudowy katowickiego dworca przebudowywany jest węzeł komunikacyjny w rejonie ulic Pocztowej, Dworcowej i Świętego Jana. Prace w ciągu ulicy Dworcowej rozpoczęły się 24 stycznia 2011. Oferty do przetargu na przebudowę tzw. "węzła wschodniego" firmy mogły zgłaszać do 4 maja 2011.

Ulica została wytyczona w 1856 jako łącznik pomiędzy placem Wolności a Rynkiem i otrzymała nazwę Industriestraße. Polscy mieszkańcy miasta nazywali ją ulicą Pańską ze względu na umiejscowienie przy niej eleganckich sklepów i mieszkań lub ulicą Główną. 24 października 1867 Rada Miejska na wniosek magistratu podjęła decyzję o przemianowaniu jej na Grundmannstraße. Było to zjawiskiem wyjątkowym, gdyż Friedrich Grundmann zmarł dwadzieścia lat później − 30 lipca 1887. Świadczyło to o jego zasługach dla miasta.
W 1871 miasto zakupiło dom nr 9 przy Grundmannstraße na cel tymczasowej siedziby magistratu i radnych miejskich. Koszt zakupu wyniósł 21 500 talarów. Wcześniej radni wynajmowali pomieszczenia w domu Immerwartha (również przy tej ulicy). W 1908 na ulicy poprowadzono drugi tor tramwajowy. Od 1907 pod numerem 11 funkcjonowało kino Grand-Kinematograf. W dwudziestoleciu międzywojennym pod numerem 9 funkcjonowała centrala Banku Śląskiego − Banque de Silésie SA i spółka akcyjna "Śląskie Zakłady Elektryczne" (do 1939). W latach 1861/62 na rogu ulic Industriestraße i Schillerstraße (ul. J. Słowackiego) wybudowano pierwszą katowicką synagogę według projektu Ignatza Grünfelda.
Do 1939 pod numerem 3 zlokalizowany był największy damski i dziecięcy dom konfekcyjny w mieście − Baender. Swoją siedzibę w nim posiadała firma Ocularium (oferująca artykuły fotograficzne i optyczne) oraz sklep Pedicura (oferujący obuwie oraz usługi związane z pielęgnacją nóg). Pod numerem 2 istniał skład win i wódek B. Hartmanna i firmy Klonowski i Ska oraz biuro wynajmu filmu "Espefilm", a do 1910 − fabryka likierów Ewalda Puschkewitza. Pod numerem 6 w 1862 założono Dom Obuwia, prowadzony przez F. Kochmana, a pod numerem 5 swoją hurtownię towarów kolonialnych posiadał L. Broński. W budynku nr 31 istniał do 1939 Katowicki Dom Licytacyjny B. Cubera[11], a pod nr 32 − sklep Moritza Nebla. Do 1939 przy ulicy istniały konsulaty; francuski i włoski pod numerem 23, a brytyjski pod numerem 33.
Ulica 3 Maja została wspomniana w książce Kazimierza Gołby "Wieża spadochronowa", opowiadającej o bohaterskiej obronie Katowic w czasie kampanii wrześniowej przez harcerzy.