在吸收了SS1和SS2型机车成熟的技术和积累的经验，参照了国外的新技术，在SS1型机车改进的基础上株机厂和株洲所在1977年12月开始了SS3型电力机车的设计，1978年2月完成技术设计，1978年9月完成施工设计。1978年12月30日制成0001号机车。
1979年初，SS3-0001号机车经过试验和少量的改进，同年3月发往北京铁科院环行试验线试验，经过试验发现了一些问题，铁科院提出了改进建议，并返厂改造。1980年改造完成后又发往铁科院环行试验线再次进行试验。环行试验结果表明机车性能基本符合性能质量要求，同年至1982年11月在成都铁路局马角坝电力机务段正式进行牵引试运用。在宝成铁路投入运行考核，经过超过21万公里的运行考核，经返厂解体检查，情况基本良好。1982年12月29日，铁道部在株洲厂召开技术鉴定会，韶山3型电力机车通过部级技术鉴定。
完成技术鉴定后，株洲电力机车厂开始小批量生产韶山3型机车，并于1986年底开始大批量生产以取代韶山1型，到1993年共生产677台（0001～0677）。1990年起，大同厂按照株洲厂的图纸试制的第一台韶山3型电力机车于1990年9月15日竣工，到1993年共生产了95台（6001～6095）。
此外，韶山3型电力机车也曾经先后三次参与中国铁路的两次重载试验。1983年11月25日，为配合大秦铁路的建设，北京环形铁道进行了中国铁路首次万吨重载试验，韶山1型、韶山3型电力机车双机牵引重载货物列车，总重10 081吨，列车全长1 748米，编组共102节。1990年6月10日在大秦线上进行了万吨重载列车运行试验，双机重联的韶山3型电力机车牵引万吨重载列车运行试验获得成功，列车全长1.7公里，牵引总重为10 698 吨，在紧急制动的试验中，制动距离不到800 米。
韶山3型电力机车是在1970年代末设计定型的产品，经过长时间的试验、生产和运用，其固有缺点开始凸显出来，1991年，株洲电力机车研究所、成都铁路局和株洲电力机车工厂联合按照“标准化”、“系列化”要求对SS3型电力机车进行技术改造。经过改进后的韶山3型电力机车称为韶山3型4000系（注意，这里的4000系并非仅代表4XXX的车号，而是一个改进后的车型执行标准），为客货两用型机车，于1992年开始批量生产。
株洲电力机车厂累计生产251台（4001～4008，4085～4104，5029～5251）。4000系的SS3机车也由铁道部安排给其他机车制造厂共同生产。自1993年至2006年，大同机车厂生产了525台（4009～4084；4108～4556）；自2000年至2002年，资阳机车厂生产了57台（8001～8057）；1994年太原机车车辆厂试制了3台（4105～4107），这也是该厂生产的第一种电力机车。到2006年，韶山3型4000系列合计产量达到836台。而1993年之前生产的韶山3型电力机车，其中大部分在后来大修时均按照4000系改进型的标准进行了技术改造，累计产量超过了1500台。成为韶山型机车家族中的经典车型之一。
韶山3型4000系机车早期曾被称为“韶山3B型”，但未获铁道部批准采用新型号，官方规范的命名仍沿用韶山3型，而正式的韶山3B型是由2002年开始生产的韶山3B型双机重联电力机车。中国的铁路爱好者对前者用“小3B”，后者用“大3B”的称呼以示区别。
SS3-0001号车，已经被北京铁道博物馆收藏。
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