М60 обладал еще одним важным преимуществом перед М48 — 105-мм пушкой, более мощной, чем 90-мм орудие Т39. Ее-то и установили в башню М48А1Е1, вместе со спаренным 12,7-мм пулеметом (на М48 в маске пушки стоял пулемет калибра 7,62 мм). Повышению огневой мощи танка способствовало и применение более совершенной системы управления огнем, также заимствованной от М60. В состав СУО входили: оптический дальномер, работавший на принципе совмещения изображения, телескопический прицел и баллистический вычислитель. Испытания показали, что по боевой эффективности М48А1Е1 превосходит все модификации «Паттона» и сравним с М60. Армия считала необходимым довести до уровня М48А1Е1 примерно 600 находившихся на вооружении танков М48А1, однако в технику вмешалась экономика. На складах имелись огромные запасы 90-мм снарядов, которые в случае установки 105-мм орудий оказались бы ненужными, кроме того, замена основного вооружения танков обходилась казне «в копеечку» из-за необходимости изготовления новых орудий, и опять же возникал вопрос: что делать с 90-мм пушками? Пришлось идти на компромисс — внедрить все усовершенствования, оставив 90-мм пушки. Очередной вариант «Паттона» получил индекс М48А3.
Модернизация М48А1 началась в ремонтных центрах армии США Эннистон и Ред Ривер в феврале 1963 года. Всего по заказу армии переоборудование в модификацию М48А3 прошло примерно 600 танков модели А1, еще 419 машин было модернизировано по заказу корпуса морской пехоты. Наиболее заметным внешним отличием М48А3 стали коробки с воздушными фильтрами, установленные на крыльях по бокам от крыши МТО. Кроме того, на армейские танки ставили по два дополнительных поддерживающих ролика, вновь доведя их число до пяти на борт. Установка дизеля вкупе с использованием топливных баков большей емкости позволила увеличить запас хода до 480 км.
В ходе выполнения программы модернизации в конструкцию вносились изменения с учетом опыта использования танков во Вьетнаме, в частности были установлены новые тормоза, люк командирской башенки и несколько измененная башенная корзина.
Командование американской армии возлагало большие надежды на оснащение своих танков запускаемыми через ствол 152-мм ПТУР «Шиллейла». Под эти ракеты был спроектирован танк М60А2. В начале 1960-х годов предполагалось переоборудовать в носители ПТУР и большое количество состоявших на вооружении М60А1. Машины, вооруженные ПТУР, отличались от стандартных М60 башнями. В результате запланированной модернизации парка М60 высвобождались башни со 105-мм орудиями. Их и решили попробовать установить на М48. Два прототипа, представлявших собой гибрид корпуса М48А1 и башни от М60, изготовили на заводе фирмы «Крайслер». Эти машины получили обозначение М48А1ЕЗ. Испытания прошли успешно, и танк под обозначением М48А4 предполагалось принять на вооружение, но в армии США он так и не появился. Программа вооружения М60 «шиллейлами» потерпела крах, соответственно не оказалось и свободных башен со 105-мм орудиями. В то же время обозначение М48А4 прижилось применительно к «паттонам» со 105-мм орудиями, модернизированным в Израиле.
Появление же М48А5 было вызвано очередной критической ситуацией, в которой оказались танковые войска США в начале 1970-х годов. Программу МВТ70 (совместный проект США и Западной Германии), призванного стать основным боевым танком, аннулировали; М60А2, в свою очередь, оказался неудачным; ко всему прочему, армия США лишилась нескольких сотен М60А1, в спешном порядке направленных в Израиль для восполнения потерь, понесенных «стратегическим союзником» в ходе войны 1973 года. Численный состав танкового парка вооруженных сил США упал до опасно малого уровня, его качество также оставляло желать лучшего. Выход в повышении боевых возможностей существующих танков виделся в срочной модернизации М48 до уровня, примерно равного по боевой эффективности М60. Детальный анализ программы модернизации показал, что имеет смысл заниматься переоборудованием только машин варианта М48А3. Так, для доведения до уровня М60 в конструкцию М48А3 требовалось внести 11 изменений (главное из которых — установка 105-мм орудия), а в конструкцию М48А1 —уже 67, в том числе осуществить такую трудоемкую и затратную операцию, как замена силовой установки. Новый вариант «Паттона» получил обозначение М48А5.