По своему замыслу танк представлял собой машину времён Первой мировой войны, с расположением орудия в бортовом спонсоне, как на английских танках Mk-I, Mk-VIII, а вместо неподвижной рубки — вращающаяся башня. Двигатель располагался сзади, трансмиссия — спереди, коробка передач — под поворотным полом башни, а между ними размещалось боевое отделение.
Корпус танка изготовлялся из плоских листов. Толщина брони была неизменной на всех моделях и составляла: два дюйма (51 мм) — лобовая броня, по полтора дюйма (38 мм) — бортовые и кормовые листы, полдюйма (12,7 мм) — крыша корпуса. Днище имело переменную толщину: от половины дюйма (12,7 мм) под двигателем до одного дюйма (25,4 мм) в районе боевого отделения. Стенки башни имели броню — два дюйма с четвертью (57 мм), а крыша — семь восьмых дюйма (22 мм). Передняя плита устанавливалась под углом 60° к горизонту, боковые и задние — вертикально.
С правой стороны корпуса устанавливали литой спонсон с 75-мм орудием, не выходивший за габариты корпуса. Высота спонсона наряду с размерами двигателя определяла высоту танка. Над корпусом возвышалась литая башня с 37-мм орудием, сдвинутая влево, её венчала маленькая башенка с пулемётом.
Полученная пирамида оказалась свыше трёх метров — десять футов и три дюйма (3214 мм). Длина танка составила восемнадцать футов и шесть дюймов (5639 мм), ширина — восемь футов одиннадцать дюймов (2718 мм), клиренс — семнадцать и одна восьмая дюйма (435 мм). Но танк получился с просторным боевым отделением и до сих пор считается одним из самых комфортабельных.
Изнутри корпус оклеивался губчатой резиной, чтобы предохранить экипаж от мелких осколков брони. По бортам устанавливали двери, имелись люки сверху и в пулемётной башне. Это обеспечивало быструю посадку экипажа, а самое главное — удобную эвакуацию раненых из танка, через бортовые двери, хотя двери и снижали прочность корпуса. У каждого члена экипажа имелись смотровые щели и амбразуры для стрельбы из личного оружия, защищённые броневыми козырьками.
На танках М3 модификаций МЗА1, МЗА2 и всех машинах на их базе устанавливался авиационный звездообразный девятицилиндровый карбюраторный двигатель «Wright Continental» R 975 EC2 или модификация C1 мощностью 340 л.с. Он обеспечивал 27-тонному танку наибольшую скорость до 26 миль/ч (42 км/ч) и при возимом запасе топлива 175 галлонов (796 литров) пробег 120 миль (192 км). К недостаткам двигателя относится его высокая пожароопасность, так как он работал на высокооктановом бензине, сложность в обслуживании, особенно цилиндров, оказавшихся снизу.
Основным оружием танка являлось 75-мм орудие, установленное в спонсоне. Это орудие было спроектировано в арсенале Вестерфлейт на основе 75-мм французской полевой пушки обр. 1897 г., принятой на вооружение армии США после Первой мировой войны. Орудие, получившее индекс М2, имело длину ствола около 3 м, оборудовалось одноплоскостным стабилизатором наводки, полуавтоматическим затвором, системой продувки ствола после выстрела. Система стабилизации наводки в вертикальной плоскости на танке М3 была применена впервые в мире и впоследствии служила прототипом для аналогичных систем для танков многих армий мира. Углы вертикальной наводки составляли 14°, в горизонтальной плоскости 32°, далее орудие наводилось поворотом всего танка. Вертикальная наводка пушки осуществлялась как электрогидравлическим приводом, так и вручную. Боезапас располагался в спонсоне и на полу танка.
Однако при установке пушки М2 на танке выяснилось, что ствол выходит за переднюю линию корпуса. Это сильно переполошило военных, боявшихся, что танк может пушкой за что-то зацепиться при движении. По их требованию длину ствола уменьшили до 2,33 м, что естественно ухудшило баллистику орудия. Такой усечённой пушке присвоили индекс М3, а при монтаже в танке, чтобы не переделывать систему стабилизации, на ствол надевали противовес, внешне похожий на дульный тормоз.
37-мм пушка была создана в том же арсенале в 1938 г. На танк М3 устанавливались её модификации М5 или М6, во вращающейся на 360° башне. Углы вертикальной наводки позволяли вести огонь и по низколетящим самолётам. В башне также устанавливался спаренный с орудием пулемёт, а сверху — маленькая башенка, вращающаяся на 360°, с ещё одним пулемётом. Башня имела вращающийся полик со стенками, выделяющими боевое отделение в отдельный отсек. Боезапас орудия располагался в башне и на вращающемся полике.
Вес среднего танка М3 составлял 27,2 т, а число членов экипажа 6–7 человек.
Поставляемые в СССР средние танки М3 танкисты называли «братской могилой».
У янки хватило ума лёгкому танку «Стюарт» присвоить тот же индекс М3, что и среднему танку. Поэтому в советских служебных документах эти танки именовались лёгкий (л.) М3 и средний (ср.) М3.
Вес лёгкого танка М3 составлял 12,7 т, толщина брони 37,5 — 12,5 мм. Боекомплект к 37-мм пушке М3 — 103 выстрела. Экипаж 4 человека. Скорость по шоссе 56 км/ч. Стоимость лёгкого танка М3 — 42 787 долларов, а среднего М3 — 76 200 долларов.