Параллельно с испытанием первого образца БАИ велись работы по созданию бронеавтомобиля с более мощным вооружением. Уже 1 августа 1932 года УММ РККА заключило со спецотделом Ижорского завода договор № I73713сс, в котором говорилось: "Объект заказа - проектирование и изготовление опытного образца бронеавтомобиля БАИ, вооруженного 45-мм пушкой завода № 8 ВАТО и пулеметами ДT. Срок предъявления к приему - 1 ноября 1932 года. Стоимость заказа составляет 25000 рублей". Но завод не сумел выполнить работу в срок - первый образец нового бронеавтомобиля, получившего обозначение БА-3, изготовили только в конце апреля 1933 года, да и то из обычной (не броневой) стали. Тем не менее, 1 мая БА-3 участвовал в параде на площади Урицкого (ныне Дворцовая) в Ленинграде.

Корпус машины, сваренный из 4-8 мм листов незначительно отличался от БАИ - была на 50 мм удлинена корма, в бортах моторного отделения появились окна (по одному на сторону) для выброса воздуха. Откидные щитки в боковых дверях устанавливались на внутренних петлях (у БАИ на внешних) и в открытом положении удерживались специальными защелками. Для наблюдения в бою в щитках имелись смотровые щели, закрываемые изнутри броневыми заслонками. Кроме того, на крыльях задних колес смонтировали специальное приспособление для укладки вездеходных цепей и укоротили подножки под боковыми дверями.

Бронекорпус БА-3 был сварным. Но нужно отметить, что боковые листы соединяясь сваркой к тому же усиливались по этим местам накладками. Причём задние бортовые листы - гнутые, а на поздних броневиках согнут на прессе и кормовой лист. На БА-3 ранних выпусков кормовой лист сваривался из двух половин и, соответственно, отличался усиливающей накладкой по оси машины.

Внутренняя часть машины. Хорошо видны стеллажи пулемётных дисков и откинутая спинка сиденья командира.

А вот на заклёпках крепились уголки, на которые опирались "потолок" и пол машины. Подбашенный лист, испытывающий дополнительные нагрузки, кроме того, поддерживали пять подкосов - их массивные заклепки хорошо видны снаружи бронекорпуса на бортах и корме (расположены иначе, чем на БА-6). Крепление самого корпуса осуществлялось с помощью 10 кронштейнов (две пары приклёпаны изнутри в боевом), которые через резиновые прокладки приворачивались болтами к лонжеронам шасси. Заклёпки их крепления заметны в нишах задних колёс, под дверями отделения управления и в нижней части боковин моторного отсека. Кроме того, окантовки дверей и люков, не дающие им провалиться в проёмы, тоже стояли на заклёпках. Практически всё внутреннее оборудование крепилось на болтах, пропущенных через стенки корпуса насквозь.

        Электрооборудование машины было выполнено по однопроводной схеме. Напряжение бортовой сети составляло 6В. В качестве источников электроэнергии использовались аккумуляторная батарея 3 СТП-80 ёмкостью 80 А•ч и генератор ГМ-71 мощностью 100 ВТ. Вся проводка проложена под потолком по левому борту, на нем же установлены два светильника с синим стеклом для освещении боевого отделения и поста управления. Еще пара плафонов есть в башне.

Двухлитровый тетрахлорный танковый огнетушитель стоял в креплениях под передним щитком машины по правому борту, а аптечка размещалась над стеллажом на 5 пулеметных дисков по левому борту.

Главным отличием БА-3 от БАИ была башня от танка Т-26 но с уменьшением толщины брони до 8 мм (на опытном образце, изготовленном из не броневой стали - 9 мм). Она крепилась болтами при помощи 6 захватов к нижнему погону и крыше корпуса. Поворотный механизм башни имел 2 передачи, позволяя ее вращать с разными скоростями. В крыше имелись два люка для посадки экипажа, лючки для вытяжного вентилятора, флажковой сигнализации и прибора ПТК. Наблюдение за полем боя можно было вести через две смотровые щели со стеклами "Триплекс", расположенные в бортах. Кроме того, имелось три отверстия для стрельбы из револьвера, закрывающиеся броневыми заслонками. Как и на БАИ, у БА-3 имелся люк в крыше над местами водителя и пулеметчика. Вооружение бронемашины состояло из 45-мм танковой пушки образца 1932 года (20К) и спаренного пулемета ДТ в штатной башенной установке и еще одного ДТ в лобовом листе корпуса. Прицельные приспособления состояли из телескопического прицела ТОП, кроме того предусматривалась и установка перископического ПТ-1 (правда на БА-3 их так и не установили). В корме башни имелся люк для демонтажа пушки при ремонте.

К пушке имелось 60 снарядов, из них 52 находились в башне (2 укладки по 20 штук в кормовой нише и 12 по бортам) и две стойки по 4 снаряда в корпусе, 54 магазина к пулеметам (3402 патрона) размещались в башне справа (6 штук) и в 48 стеллажах на бортах корпуса. Здесь же специальными зажимами крепились лопата, топор, лом и двуручная пила. Кроме того, в полу боевого отделения имелся инструментальный ящик и ящик ЗИП к пушке и пулеметам,

Боевая масса БА-3 с экипажем из 4 человек составляла 5,82 т, 40-сильный двигатель "Форд" позволял броневику разгоняться до 60 км/ч на прямой передаче и до 70 км/ч с демультипликатором на пониженной.

Осенью 1934 года, после заводской обкатки и устранения выявленных недостатков БА-3 производство бронемашин началось на Ижорском заводе - до конца года было изготовлено 10 машин (7 в октябре и 3 в ноябре).

Попытки наладить сборку БА-3 на заводе ДРО не увенчались успехом из-за большого объема заказов на легкие бронеавтомобили. Поэтому с 1934 года Выкса полностью переключилась на изготовление ФАИ, а затем и БА-20, а Ижорский завод стал головным (и единственным) предприятием по выпуску средних бронемашин.

В это же время произошли изменения и в структуре Ижорского завода. Спецотдел, до этого занимавшийся всей оборонной продукцией завода, ликвидировали, создав вместо него два конструкторских бюро - КБ по спецпроизводству (КБС) и КБ по модернизации (КБМ). Первое, начальником которого стал Померанцев, занималось вопросами (серийного производства бронеавтомобилей, бронекорпусов и другой продукции завода. Второе, под руководством инженера Ильичев, занималось опытными работами, в том числе и проектированием новых типов бронеавтомобилей. Оба КБ подчинялись директору завода по спецпроизводству. Но так как коллективы КБМ и КБС были довольно малочисленны, они работали довольно в тесном контакте, помогая друг другу по мере сил.

В июне 1934 года, уже в ходе серийного производства, опытный экземпляр БА-3 (с корпусом из неброневой стали) испытывался на НИБТ полигоне, пройдя 400 км по шоссе и 190 км по проселку. В отчете об испытаниях отмечался удобный доступ к двигателю, коробке перемены передач, демультипликатору и другим агрегатам, требующим периодического осмотра, удобное размещение экипажа и мягкий ход машины. Бронеавтомобиль без труда преодолел подъем в 24 градуса, крен в 30 градусов, брод глубиной до 0,6 м и 0,4 м вертикальную стенку, в целом не уступая по проходимости грузовому «Форд Тимкен». Запас хода по горючему составлял 218 км по шоссе и 134 км по проселку.

В то же время наблюдение за дорогой при закрытых люках оставляло желать лучшего -скорость движения при этом не превышала 15-20 км/ч. Вращение маховика поворотного механизма башни требовало больших усилии, с трудом открывались и закрывались заслонки смотровых щелей. Вызывала нарекания система охлаждения двигателя и крепление бронекорпуса к шасси: "При движении по грязному проселку на максимальных оборотах в дождливую погоду при температуре окружающего воздуха 12 градусов температура при открытых жалюзи доходила до кипения через 3-5 км при движении по шоссе при закрытых жалюзи при температуре наружного воздуха 20-23 градуса через 6-7 минут вода в радиаторе достигает точки кипения.

Сильно шумит бронекорпус - необходимо соединения корпуса с полом и лонжеронами делать на резиновых прокладках. Температура в бронекорпусе при закрытых люках достигает 45-50 градусов при температуре снаружи 25 градусов через 10-15 минут движения. Охлаждение двигателя для данного типа бронеавтомобиля недостаточно".

Тем не менее, представители НИБТ полигона в своем заключении положительно отзывались о БА-3, рекомендуя улучшить "наблюдение за дорогой при закрытых люках и систему охлаждения двигателя".

В начале 1934 года при сборке в серийных БА-3 выяснилось, что бронекорпуса многих из них имели большое количество трещин из-за плохого качества сварных швов. Такие корпуса принимались по специальному разрешению представителя военной приемки УMM РККА на Ижорском заводе, при этом на трещины ставили специальные ограничители. Вплоть до прекращения производства в начале 1936 года Ижорский завод изготовил 169 БА-3, кроме того, 4 машины собрал завод ДРО.

Бронеавтомобиль БА-3 послужил базой для проведения ряда опытных работ. Так, в 1935 году на одной машине в опытном порядке установили радиостанцию 71-ТК-1 с поручневой антенной на башне. Рация размещалась в кормовой нише, при этом укладки для снарядов пришлось демонтировать.

В сентябре 1936 года один БА-3 вооружили 12,7-мм пулеметом ДК ("Дегтярев крупнокалиберный"), установленном в башне вместо 45-мм пушки. С 16 по 21 ноября эта машина испытывалась на научно-испытательном оружейном полигоне. В мае 1937 года на том же БА-3 испытывали 12,7-мм пулемет ШВАК ("Шпитальный-Владимиров авиационный крупнокалиберный"), но по своим боевым характеристикам и надежности он оказался хуже ДК. Результаты стрельбы из 12,7-мм пулеметов, установленных в БА-3, по 20-мм броне см.в таблице.

В 1935 году один БА-3 приспособили для движения по рельсам. Эта машина получила обозначение БА-3 жд. Летом 1938 года на броневой ремонтной базе №6 в Брянске переставили бронекорпус БА-3 с шасси "Форд-Тимкен" на ГАЗ-AAA. Корпуса устанавливали на серийные шасси ГАЗ-ААА выпуска 1937 года с рамой, укороченной в задней части на 300 мм. Передняя ось укреплялась двумя накладками, установленными при помощи болтов, а рессоры усиливались до 13 листов. Колеса с пневматическими шинами заменили на пулестойкие ГК. Электрооборудование и щиток водителя ставились стандартные от ГАЗ-ААА, а кроме основного бака на 44 литра в отделении управления монтировался дополнительный на 18 литров (38 л на БАИ), Кроме того, оба броневика получили укладки различного инструмента и ЗИП.

У новых бронеавтомобиля, получившего обозначение БА-3М улучшились динамические качества. БА-3М получился легче БА-3 (5422 кг против 5820 кг), возросла его скорость (58,3 км/ч против 54,5 км/ч) и запас хода (280 км против 248 км).

Тактико-технические характеристики среднего бронеавтомобиля БА-3
Год выпуска	1933
Экипаж	4
Масса, кг	5820
Среднее удельное давление на грунт, кг/см2	3,2
Габаритные размеры:     длина, м     ширина, м     высота, м	4,825     1,96     2,494
Клиренс, м	0,24
Бронирование, мм	Лоб корпуса 8 мм     Борт 8 мм     Корма 8 мм     Башня 8 мм     Крыша 4 мм     Днище 4 мм
Вооружение	45-мм пушка 20К     2х7,62-мм пулемета ДТ.
Боезапас	60 выстрелов     3402 патронов
Двигатель	"ГАЗ-АА", 40 л.с.
Запас топлива, л	65
Запас хода, км	по шоссе - 248     по грунту - 143
Макс. скорость, км/ч	60
Преодолеваемые препятствия: подъём, град крен, град ров, м стенка, м брод, м	20     15     0,6     0,3     0,6
Выпущено, шт	173

После обкатки и устранения недостатков БА-3М направили на научно-испытательный полигон в подмосковную Кубинку дли проведения испытаний, которые прошли с ноября 1938-го по январь 1939 года Всего броневик прошел 2777 км, из них 1509 км по шоссе, 959 км по проселку и 336 км по целине.

В отчете об испытаниях говорилось, что управление в основном мало чем отличалось от управления грузовиком ГАЗ-AAA, а при движении по разбитому щебенчатому шоссе и проселку отмечались сильные колебания передней части броневика на неровностях дороги и плохая обзорность пути при закрытом люке водителя, особенно при крутых поворотах. Среди недостатков главными были признаны слабая конструкция переднего моста и рессор из-за их перегрузки, плохая конструкция сидений, что вызывало утомляемость экипажа, а также ненадежность запоров дверей и люков ("ненадежны, часто открываются, сильно изношены и несовершенной конструкции"). В целом работа бронемашины была признана ненадежной. В заключении отчета было сказано следующее:

Б) в боевых условиях лишь с учетом конкретной обстановки и возможности выполнения возлагаемых задач по броне".

К лету 1940 года модернизация всего парка бронемашин БА-3 была завершена.

Большинство бронеавтомобилей с началом Великой Отечественной войны были потеряны в первые месяцы войны. До 1942 года на советско-германском фронте не осталось практически не одного бронеавтомобиля БА-3.

Нужно ещё отметить, что бронеавтомобили БА-3 использовались не только в Красной Армии, но и в других странах. В 1934 году один бронеавтомобиль БА-3, вместе с танками Т-37 и Т-26 приобрела Турция. Правительство этой страны собиралось вооружить армию самой современной по тем временам техникой, закупая образцы разных стран для проведения испытаний. Любопытно, что для изготовления экспортного образца БА-3 Ижорский завод получил отдельный заказ, для сборки машины использовались лучшие сорта стали и импортное оборудование. Тем не менее, после проведенных испытаний командование турецкой армией не заинтересовалось броневиком. Также имеется информация, что в ходе гражданской войны в Испании, Советский Союз поставил республиканцем партию бронеавтомобилей, в числе которых было 3 БА-3.

1 БА-3М в ходе "Зимней войны" был захвачен финнами. Эта машина у бережливых финнов прослужила достаточно долго, её списали только в начале 1955 года.