Начиная с августа 1962 года, на протяжении двух лет проводились летные испытания БРПЛ третьего этапа реализации ракетной программы Поларис, получившей обозначение UGM-27C Поларис-А3. Этот этап ознаменовался резким наращиванием боевых возможностей морского компонента ядерных сил Америки, как в количественном отношении, так и на качественном уровне. 
Вся программа летных испытаний включала проведение 25 пусков, в том числе и в целях отработки навыков боевой стрельбы экипажами атомных ракетных лодок. В конце июля 1964 года новая ракета была принята на вооружение.
БРПЛ Поларис-А3 выполнена двухступенчатой с последовательным разделением ступеней. При ее создании были учтены новейшие достижения в области материаловедения, что позволило разработать новую технология изготовления корпусов твердотопливных двигателей. Корпуса обеих ступеней были выполнены из стеклопластика методом намотки стекловолокна с проклейкой эпоксидной смолой. За счет применения нового топлива на основе полиуретана, перхлората аммония и нитропластификатора и экономии веса конструкции двигателя удалось практически без изменения геометрических размеров заметно увеличить дальность стрельбы при одновременном увеличении забрасываемого веса полезной нагрузки.
Маршевый РДТТ первой ступени имел четыре поворотных сопла. На ракетный двигатель второй ступени установили четыре неподвижных сопла, а управляющие усилия создавались за счет впрыска фреона в закритическую часть сопел. Запас фреона хранился в тороидальном баке, который заполнялся в заводских условиях.
Усовершенствованная инерциальная система управления обеспечивала управление полетом на активном участке траектории и выдачу команды на отделение боевых блоков. КВО при стрельбе составляло около 1 км.
Ракета могла оснащаться моноблочной термоядерной головной частью с несколько увеличенной мощностью - в 1 Мт (вариант Поларис-А3Р) или разделяющейся рассеивающегося типа Мк 2 с тремя боевыми блоками W-58 мощностью по 200 кт каждый. РГЧ позволяла поражать площадные объекты. Ее отработка была закончена уже после принятия на вооружение ракеты и первые БРПЛ оснащались моноблочной головной частью.
Но на этом развитие ракетной системы Поларис не закончилось. В период с ноября 1966 по 1968 год было проведено девять испытательных пусков с целью отработки головных частей нового поколения. С 1967 года началась замена ракет Поларис-А3 на их модификацию А3Т. Отличались они доработанной системой управления и усовершенствованной РГЧ Мк 2 с тремя боевыми блоками индивидуального наведения мощностью по 200 кт каждый. Боевое оснащение одной ракеты могло поражать цели на площади 8 кв. км.
По поводу боевого оснащения БРПЛ Поларис-А3 следует сказать следующее. В американских источниках указывается, что эта ракета изначально (т.е. уже в 1964 году) несла РГЧ типа МРВ с тремя боевыми блоками. В середине 70-х на нее установили разделяющуюся головную часть типа МИРВ (3 боеголовки). Эта ракета получила обозначение А3Т. При этом дальность ее полета возросла на 320 км. Именно этой модификацией перевооружались в 1974-1976 годах ПЛАРБ типа Дж. Вашингтон и Эт. Аллен.
В Советском Союзе до начала 80-х годов считалось, что значительная часть ракет Поларис-А3 несла моноблок, по крайней мере до 1967 года. С 1966 по 1968 год велись испытания модификации А3Т, оснащенной РГЧ типа МИРВ. На это указывает ряд фактов, в том числе американского и английского происхождения. Например, бывший министр обороны США Р. Макнамара в своей книге Путем ошибок к катастрофе приводит количество ядерных боезарядов на носителях стратегического назначения. По долгу службы он конечно знал их реальное количество. Так в 1965 году на ракетах (850 МБР и 400 БРПЛ, из которых в разряд стратегических попадают не все) стояло 1050 боевых блока (850 и 200 соответственно). К сожалению, он не приводит распределение боезарядов по типам БРПЛ, что не позволяет сделать однозначный вывод. Если не учитывать ракеты ограниченной дальности полета Поларис-А1 и А2, то ВМС США имели в 1965 году семь ПЛАРБ с БРПЛ Поларис-А3. Это 112 ракет. Если они все оснащались РГЧ с тремя боеголовками, то в сумме должно быть 336, что на 136 единиц больше приведенной цифры. Кроме того, первая американская ПЛАРБ SSBN 626 DANIEL WEBSTER, вышедшая 28 сентября 1964 года на боевое патрулирование с новыми ракетами, была вооружена БРПЛ Поларис-А3Р. Очевидно, еще пройдет какое-то время, прежде чем в этот вопрос будет внесена окончательная ясность.
Ракеты Поларис-А3 стали самым массовым типом БРПЛ в американских морских СЯС, когда либо состоявших на вооружении. На подводных лодках они находились до октября 1981 года.