После появления ИС-122 (к середине 1944 года переименован в ИС-2) эксперименты с новыми вариантами вооружения не прекратились — раздельное заряжание, малая скорострельность и малый возимый боекомплект побуждали конструкторов искать иные решения. 27 декабря 1943 года вышло постановление ГКО №4851 о вооружении танка ИС новыми артсистемами большой мощности. В числе их была и 85-мм танковая пушка большой мощности с начальной скоростью снаряда 900 м/с. В феврале 1944 года начались проектные работы по установке этого орудия в башне танка ИС-85 (к середине 1944 года переименован в ИС-1).

Танк «Объект 244» с 85-мм пушкой Д-5-85БМ был изготовлен весной 1944 года и получил индекс ИС-3. Монтаж пушки никаких переделок за собой не повлек, поскольку все установочные размеры остались прежними. На «Объекте 244» испытывался новый ломающийся телескопический прицел ПТ-8, а также ряд опытных узлов двигателя и трансмиссии, в частности - синхронизаторы 3-4-й и 7-8-й передач, которые позволяли сократить время на их переключение и облегчали управление машиной. Испытания 244-го продолжались до конца марта 1944 года и закончились неудачей по причине недостаточной прочности ствола орудия.

В то же время, после изучения группой научных сотрудников ВАММ имени И.В. Сталина, возглавляемой инженером-полковником А. Завьяловым, характера боевых повреждений, полученными танками в ходе Курской битвы (обращало на себя внимание массовое поражение лобовых элементов корпуса и башни), принято решение проработать на базе танка ИС-2 новую конструкцию башни и корпуса для придания им обтекаемой формы и резко дифференцировать броневую защиту в рамках существующей массы. В конце лета 1944 года работами по модернизации занялись два КБ — завода №100 (Ж.Я. Котин, А.С. Ермолаев) и Челябинского Кировского завода (ЧКЗ) (Н.Л. Духов, М.Ф. Балжи).

1-й прототип ИС-3
КБ ЧКЗ предлагало оставить моторно-силовой агретат танка неизменным, а в конструкции корпуса (конструктор Малинин) обойтись косметическими мерами — введением катанного лобового листа толщиной 160 мм при неизменных бортах и корме. Но главной особенностью проекта была оригинальная приплюснутая сфероидная башня со 122-мм пушкой Д-25, разработанная конструктором Г.В. Крученых. Большие углы наклона броневых стенок башни способствовали рикошету бронебойных снарядов, а удачная внутренняя компоновка обеспечивала минимальные ее размеры, что позволило без излишнего утяжеления машины повысить толщину лобовой брони до 250 мм, против 100 мм на тяжелом танке ИС-2. Разработка ЧКЗ была более интересна для серийного производства, так как позволяла освавать выпуск нового танка параллельно с ИС-2.

Базируясь на разработках Опытного завода №100 по объектам 244, 245 и 248, конструкторы Г.Н. Москвин и В.И. Таротько составили всю верхнюю лобовую часть корпуса из двух соединенных и сильно наклоненных к вертикальной плоскости броневых листов, повернутых в плане под большим углом. Сверху эти листы накрывались треугольной крышей, наклоненной к горизонту под углом 7°. 120-мм плиты лобовой брони располагались так, что образовывалась трехскатная, конусообразная, вытянутая вперед носовая часть, получившая название «щучий нос». При этом стало возможным не только снизить массу корпуса, но и значительно повысить стойкость броневых деталей в случае обстрела танка спереди. Переход к полностью сварному корпусу с исключением крупных литых деталей также объяснялся перегрузкой литейного производства, занятого изготовлением литых башен для танков ИС-2. Одновременно была предложена башня с увеличенной до 180 мм толщиной лобовой брони и более мощный двигатель (600-650 л.с.). За счет некоторого уменьшения клиренса и отсутствия командирской башенки общая высота танка уменьшилась на 0,3 м, по сравнению с ИС-2.

Корпус танка сваривался из катаных броневых листов. Лобовые листы корпуса устанавливались с двойным наклоном под большим углом к вертикали. Наклонные бронелисты в стыке бортов и днища позволили сократить общую площадь поверхности корпуса и за счет сэкономленного веса усилить бронезащиту. Кормовой лист корпуса для удобства доступа к агрегатам силовой передачи сделали откидным. Механик-водитель размещался впереди по оси машины. Над его сиденьем имелся люк с отодвигающейся в сторону крышкой, в которой устанавливался смотровой прибор. Перед открыванием люка его необходимо было снимать. За сиденьем механика-водителя, в днище, находился запасной люк, предназначенный для покидания танка в экстренных случаях.

В состав трансмиссии входили: многодисковый главный фрикцион сухого трения, восьмискоростная коробка передач с демультипликатором, планетарные механизмы поворота и бортовые передачи.

Ходовая часть ИС-3 состояла из шести опорных катков с внутренней амортизацией на борт, трех поддерживающих катков, ведущего колеса заднего расположения со съемными зубчатыми венцами (цевочное зацепление) и направляющего колеса. Подвеска опорных катков — индивидуальная торсионная. В каждой гусенице 86 траков шириной 650 мм, шаг трака 162 мм.

Башня — литая, приплюснутой сферической формы. В крыше башни имелся большой овальный люк, закрываемый двумя крышками. В правой крышке закреплялся смотровой прибор заряжающего МК-4, в левой располагался командирский люк наблюдения, закрытый круглой вращающейся крышкой, в которой находился смотровой прибор командира ТПК-1.

Механизм поворота башни — планетарный, с ручным и электрическим бесступенчатым приводами. Электропривод был оборудован системой командирского управления. Командир мог, удерживая цель в поле зрения своего смотрового прибора, нажать на кнопку, установленную на приборе, и повернуть башню в заданном направлении по кратчайшему пути. При совпадении линии визирования с осью канала ствола башня останавливалась.

122-мм пушка Д-25Т снабжалась двухкамерным дульным тормозом и горизонтальным клиновым затвором с полуавтоматикой механического типа. Боевая скорострельность составляла 2-3 выстр./мин. Боекомплект пушки состоял из 28 выстрелов раздельного заряжания, в том числе 18 с осколочно-фугасными снарядами и 10 с бронебойными. Прицел — телескопический шарнирный ТШ-17.