1971年，為滿足鐵路客運內燃化的需求，大連廠在東風型機車的基礎上，通過修改齒輪比，將牽引齒輪傳動比由原來75:17 (4.41) 改為71:21 (3.38)，而設計的客運內燃機車，定位東風3型內燃機車，車型代號DF3，機車標稱功率為1050 kW，構造速度提高到120 km/h。
東風3型內燃機車由車體、車架、柴油機及其輔助系統、電機及電器、機車輔助裝置、走行部及空氣制動系統等部分組成。車體為非承載式，分司機室、動力室及冷卻室三個部分，相互間用螺釘連接，下端焊在車架上。司機室位於機車前部，內有操縱檯和名種儀表、控制按鈕。後部為高壓室，所有生電路和控制電器都安裝在高壓室內。
機車中部為動力室，柴油機為10L207E型，裝車功率1800馬力，為直列、對置活塞、直接噴射燃料、直流掃氣式10缸柴油機；主發電機為ZQFR-1350型。牽引電機為ZQDR-204型，額定功率204kW。具有53%和35%兩級磁場削弱，採用交-直流傳動；走行部採用兩臺三軸轉向架，整備重量126t，軸重21t，持續速度23km/h，起動牽引力23500kg。
1972年初，東風1651號和1657號是最早改造出來的兩臺客運型柴油機車，出廠後於京廣鐵路、京包鐵路進行牽引試驗和運用考核，最高試驗速度125公里/小時。
東風3型機車於1972年由大連廠開始批量生產，至1974年停產，累計生產了225臺（東風3-0001～0225）；1982年成都機車車輛廠又生產1臺（0226），合共226臺。然而東風3型實際上是為了應付客運機車短缺而生產的過渡產物，隨著新一代東風4型、ND2型及北京型柴油機車的大量普及而被淘汰出客運領域。按照鐵道部要求，自1985年將大部分的東風3客運型機車改造為東風貨運型機車。
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