Шестьдесят шесть машин модификации PBY-3 были заказаны в ноябре 1936 года, по уже сложившейся традиции еще до первых поставок серийных самолетов предыдущей модификации. По требованиям ВМС и учитывая накопленный в процессе эксплуатации опыт, в конструкцию внесли ряд незначительных доработок. Машину оснастили двигателями Пратт Уитни R-1830-66 мощностью 900 л.с., что позволило несколько улучшить летные характеристики, несмотря на возросший из-за усиления конструкции и установки дополнительного оборудования вес. Использование нового карбюратора потребовало переноса его воздухозаборника с нижней стороны мотогондолы на верхнюю.

На протяжении 1937/38 годов новые самолеты получили эскадрильи VP-7 и VP-9, базировавшиеся в Сан-Диего, VP-4 и VP-18 в Перл-Харборе, VP-5 в Коко Соло и недавно сформированная в Сиэтле VP-16. VP-4 и VP-5 перегоняли свои PBY-3 из Сан-Диего к месту базирования пользуясь уже отработанными маршрутами.

К 7 декабря 1941 года, когда Соединенные Штаты вступили во Вторую Мировую войну, PBY-3 оставались на вооружении патрульных эскадрилий VP-21 и VP-22 в Перл-Харборе и VP-32 в Коко Соло. Шесть машин VP-22 и три VP-21 были уничтожены во время внезапной японской атаки. Последний патрульный PBY-3 из VP-32 был снят с вооружения 11 марта 1943 года. Как и их предшественники, «тройки» доживали свой век в учебных эскадрильях и последнюю из них списали 31 мая 1945 года.

PBY-3 был оснащен новыми моторами Пратт Уитни R-1830-66 с карбюраторами другой конструкции, что потребовало перенести их воздухозаборники с нижней поверхности мотогондолы на верхнюю.

PBY-2

PBY-3