При разработке проекта танка ИС-3 были учтены выводы комиссии, которая исследовала во фронтовых условиях боевые повреждения, полученные танками в ходе Курской битвы. Обращало на себя внимание массовое поражение лобовых элементов корпуса и башни. Поэтому было принято решение проработать на базе танка ИС-2 новую конструкцию башни и корпуса для придания им обтекаемой формы и резко дифференцировать броневую защиту. В результате конструкторских работ наклон сваренных листов,особенно в передней части корпуса, был доведен до максимально возможного. Толстые 120-мм плиты лобовой брони располагались так, что образовывалась трехскатная, конусообразная, вытянутая вперед носовая часть, получившая название "щучий нос". Люк разместили в крыше над водителем, чего не было в танках ИС-1 и ИС-2. Отпала необходимость в сквозной смотровой щели в лобовой броне перед механиком-водителем - ее заменили перископические смотровые приборы. Новые конструктивные формы брони обеспечили лучшую противоснарядную защиту. Новая, приплюснутая, конструкция башни впоследствии использовалась во всех советских танках, от Т-54 до Т-90 и в ИС-7 и Т-10 (также известен как ИС-10) и также обеспечивала гораздо более хорошую снарядозащищенность, по сравнению с предыдущими версиями башен, устанавливаемых на советских танках.

Броневой корпус танка собирался при помощи сварки из катаных листов гомогенной броневой стали толщиной 20, 30, 60, 90 и 110 мм. Лобовое бронирование танка выполнялось из бронеплит толщиной 110 мм по схеме, известной как «щучий нос» и состояло из двух сходившихся клином левой и правой верхних плит, расположенных под наклоном в 56° к вертикали и с подворотом в 43°, нижней плиты, расположенной под углом в 63° и крыши отделения управления, расположенной под наклоном в 73°. Каждый из бортов корпуса состоял из двух бронеплит толщиной 90 мм: верхней, расположенной под углом в 60° и образовывавшей бортовую нишу и вертикальной нижней. Помимо этого верхняя часть бортов прикрывалась 30-мм экранами, расположенными под углом в 30°, вместе с небронированными надгусеничными полками образовывавшими дополнительные бортовые ниши, доступ к которым осуществлялся снаружи танка. Кормовая часть собиралась из 60-мм бронеплит: нижней, расположенной под углом в 41° и нескольких верхних, имевших наклон в 48°. Крыша корпуса выполнялась из нескольких 20-мм бронелистов. Днище корпуса, плоское в районе трансмиссионного отделения и «корытообразное» в остальной части корпуса, было штампованным и также изготавливалось из 20-мм бронелиста.

Башня ИС-3 представляла собой цельную фасонную отливку из гомогенной броневой стали и имела близкую к приплюснутой полусферической форму, каплевидную в плане. Толщина стенок башни в бортах и корме колебалась от 220 мм в нижней части до 110 мм в верхней, в лобовой же части она доходила до 255 мм. В целом углы наклона, составлявшие от 42° до 59°, были подобраны таким образом, чтобы в любой точке стенок башни их горизонтальная толщина составляла не менее 160 мм. В лобовой части башни имелись амбразуры для орудия и спаренного пулемёта, прикрывавшиеся закреплённой на стволе пушки литой бронемаской, чья толщина достигала 250 мм.

Наведение спаренной установки на цель осуществлялось при помощи телескопического шарнирного прицела ТШ-17, имевшего увеличение 4× и поле зрения в 15°. Помимо этого, для стрельбы с закрытых позиций, пушка была оборудована боковым уровнем и указателем азимута.

Боекомплект пушки состоял из 28 выстрелов раздельно-гильзового заряжания с бронебойными и осколочно-фугасными снарядами. Из снарядов, 25 размещались в лотковых укладках по бортам башни, ещё 3 находились на подставках в боевом отделении. Из гильз, по 6 размещались в укладках по обеим сторонам от водителя, по 4 размещались на верхних листах подкрылков корпуса, 5 находились в укладке на полу боевого отделения, остальные размещались в хомутковых укладках: две – на перегородке моторного отделения и ещё одна – на правом борту корпуса. Поскольку осколочно-фугасные снаряды отличались бо́льшими размерами, в 11 из мест боеукладки могли размещаться только бронебойные снаряды