Модернизированный двигатель АЛ-31Ф ММПП Салют с четырехступенчатым компрессором низкого давления КНД-924-4 с увеличенным с 905 до 924 мм диаметром, обеспечивающим на 6% больший расход воздуха, а также более совершенной цифровой системой автоматического управления (степень сжатия 3,6). Температура газов перед турбиной у этого двигателя повышена на 25°С. Двигатель двухконтурный, первый контур проходит через "рубашку" для охлаждения, затем смешивается за турбиной с горячим вторым контуром двухвальный.

Применяемое на самолете новое и модернизированное оборудование обеспечивает применение новых ракет класса "воздух-воздух" (например Р-77 и РВВ-СД) и "воздух-поверхность" повышенной дальности. За счет применения нового комплекса РЭП повышены возможности действия самолетов в условиях интенсивного противодействия средств ПВО противника.

 Применение комплексной информационной системы (КИС) позволило улучшить эксплуатационно-технические характеристики самолета.  Усовершенствовано информационно-управляющее поле кабины пилота. Кабина стала полностью "стеклянной" с 4-мя многофункциональными индикаторами, что позволило отказаться от 13-ти стрелочных индикаторов. Новый комплекс связи обеспечивает устойчивую защищенную связь с командными пунктами и между самолетами в воздухе.

Су-27СМ(3) способен в качестве многофункционального истребителя эффективно решать ударные задачи с использованием высокоточного оружия класса "воздух - поверхность", в том числе и с применением авиабомб со спутниковым наведением. При действиях по воздушным целям Су-27СМ(3) почти в 2 раза более эффективен, чем его предшественник - Су-27С, а при действиях по наземным целям его эффективность выше более чем в 3 раза.

Компания "Сухой" в 2011 году поставила ВВС России 12 новых истребителей Су-27СМ3, завершив выполнение государственного оборонного заказа в части производства таких самолетов. Как сообщается в пресс-релизе компании, сборка и поставка истребителей осуществлялась по контракту с Министерством обороны России, подписанному в августе 2009 года. Су-27СМ3 были выпущены Комсомольским-на-Амуре авиационном производственном объединении.

Поставка истребителей Су-27СМ3 началась в феврале 2011 года, когда четыре таких самолета прибыли на авиабазу в Крымске Краснодарского края. Позже несколько самолетов были поставлены авиации Ставропольского края. Производство и поставка Су-27СМ3 осуществляется в рамках более масштабной госпрограммы вооружений России на 2011-2020 годы, финансирование которой определено на уровне 23 триллионов рублей.