第二代桥下游侧（西侧）20公尺处，桥位抬高2公尺，主桥为海线铁路、山线铁路各1座双线桥梁并列，均为25孔32.1公尺之上承式预力梁桥，全长802.5公尺，于1987年完工。而为了配合新桥桥位，追分车站、成功车站往彰化车站方向以及成功＝追分之间的成追线等路线均配合改线。第三代大肚溪桥完工后，新旧路线切换分四阶段办理：第三代桥1988年2月4日全线启用后，旧的第一、第二代桥陆续拆除钢梁，但旧桥墩或沉箱则长期矗立在河床上，直到2010年始拆除殆尽。第三代桥桥面铺设传统道碴式轨道，东侧山线桥为复线