Модернизированный танк оснастили двигателем В-11 мощностью 625 л.с., соответственно перепроектировав системы выхлопа, охлаждения, смазки; изменили конструкцию главного фрикциона. Для снижения пожароопастности топливные баки перенесли из отделения управления в моторно-трансмиссионное. Всего в общей сложности в конструкцию модернизированного ИС-2, по сравнению с серийной машиной, внесли тринадцать существенных изменений.
Работы по проектированию и сборке модернизированного ИС-2 шли медленно. Срок поставки опытных образцов — 25 июня 1944 г. — был сорван. Главной причиной стало то, что основное внимание руководство ЧКЗ уделяло постройке опытного образца собственного тяжёлого танка — «объекта 701», технический проект которого был представлен в ГБТУ в марте того же года. Впоследствии именно этот объект получил индекс ИС-4.
Во второй половине августа чертежи модернизированного ИС-2 направили, наконец, в ГБТУ. Получив положительное заключение, 2 сентября начали сборку первой машины. 28 октября её предъявили военной приёмке и отправили на заводской полигон. Там она совершила первый испытательный пробег, прерванный поломкой — потекло масло из коробки передач. После ремонта начались 1000-километровые заводские ходовые испытания, которые из-за аварии 18 ноября также пришлось прервать.
Было понятно, что доводка машины может занять много времени. Дело в том, что конструкторы ЧКЗ внесли в её конструкцию немало существенных изменений, не успев провести тщательную отработку и испытания новых узлов, а также анализ их взаимодействия. Пришлось отказаться от изменений в силовой установке, ходовой части, трансмиссии. Тем более, что военных вполне устраивали подвижность и манёвренность танка с двигателем 520 л.с.
Следующий опытный экземпляр танка ИС-2 был сдан Челябинским заводом 25 ноября 1944 г. В документах военной приёмки он получил обозначение «Образец А», а на заводе — «Кировец 1». В ходе дальнейших испытаний приказом Командующего БТ и МВ КА танк получил наименование «тяжёлый танк ИС-3 (образец №1)».
БОЕВАЯ МАССА, кг: 47 500.
ЭКИПАЖ, чел.: 4.
ГАБАРИТНЫЕ РАЗМЕРЫ, мм: длина — 10 170 (с пушкой назад — 8200), ширина — 330, высота — 2430, клиренс — 400.
ВООРУЖЕНИЕ: 122-мм пушка Д-25Т образца 1943 г., спаренный 7,62-мм пулемет ДТ.
БОЕКОМПЛЕКТ: 30 выстрелов, 20 дисков патронов калибра 7,62 мм.
БРОНИРОВАНИЕ, мм/град.: нижний лобовой лист — 90/60, верхний лобовой лист — 120/60, борт — 100/0, боковые листы днища — 20/60 — 45, днище — 20/90, нижний кормовой лист — 60/40, верхний кормовой лист — 60/50, башня — 170 — 120 — 90 — 175/50 — 58 — 15.
ДВИГАТЕЛЬ: дизельный В-11, 12-цилиндровый, водяного охлаждения; мощность 520 л. с.
СРЕДНЯЯ СКОРОСТЬ, км/ч: по шоссе — 80, по просёлку — 30.
ЗАПАС ХОДА, км: по шоссе — 200, по просёлку — 160.
ЁМКОСТЬ ТОПЛИВНЫХ БАКОВ, л: 500.
ШИРИНА КОЛЕИ, мм: 2640.
СРЕДНЕЕ УДЕЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ НА ГРУНТ, кг/см2: 0,89.
СРЕДСТВА СВЯЗИ: радиостанция 10-РК, переговорное устройство ТПУ-4-Бис-Ф.
ИС-3 имел целый ряд отличий от предыдущей машины. Его корпус полностью сваривался из катаных броневых листов и не имел литых броневых деталей. Днище — корытообразной формы, а борта — составные из сваренных вместе нижней и верхней вертикальных частей. Верхний носовой лист толщиной 120 мм и нижний толщиной 90 мм располагались под углом 60° к вертикали. Кормовая часть изготавливалась из листов толщиной 40 — 60 мм, а крыша корпуса — из 20-мм. Подбор толщин и рациональных углов наклона броневых листов делали корпус практически неуязвимым для всех калибров противотанковой артиллерии противника и его танковых пушек.
Главная особенность проекта — приплюснутая башня, разработанная конструктором Г.Кручёных, — совершенно оригинальное техническое решение в мировом танкостроении. Рациональная внутренняя компоновка новой башни, выполненной в виде шарового сегмента, позволяла без значительного повышения масса увеличить толщину брони. Она отливалась единой деталью. Кроме того, большие углы наклона стенок заставляли противотанковые снаряды рикошетировать.
Толщина борта её передней части достигала 170 мм, а в некоторых местах доходила до 360 мм. Крыша башни состояла из двух 30-мм листов: передний был сделан съёмным для обеспечения монтажа пушки, задний имел посадочный люк.