Die Ta-3 wurde von Wsewolod Tairow als Mitteldecker mit Doppelleitwerk entworfen. Tairow hatte 1933 das Moskauer Luftfahrtinstitut abgeschlossen, eine Zeitlang im Konstruktionsbüro von Nikolai Polikarpow gearbeitet und wurde 1935 zum Leiter der neugegründeten "Versuchskonstruktionsabteilung" (Opytny Konstruktorski Otdjel, OKO) in Kiew ernannt. Er konstruierte dort verschiedene Typen, ehe um 1939/1940 die schweren, zweimotorigen Jagdflugzeuge OKO-6 und OKO-6bis – 1941 in Ta-1 umbenannt – als direkte Vorläufer der Ta-3 entstanden. Letztere war auch zur Bekämpfung gegnerischer Bodentruppen vorgesehen und erhielt deshalb mit einer 37-mm- und zwei 20-mm-Maschinenkanonen im Rumpfbug eine recht starke Bewaffnung. Als Antriebe wurden zwei "M-89"-Doppelsternmotoren von Tumanski mit je ausgewählt. Die Flugerprobung begann im Mai 1941 und wurde von J. K. Stankewitsch durchgeführt, der im Laufe der Tests eine Höchstgeschwindigkeit von 580 km/h in 7100 m Höhe erreichen konnte. Kurz darauf mussten die Flüge wegen des deutschen Angriffs ausgesetzt und die Versuchsabteilung mitsamt dem angeschlossenen Werk in den Osten des Landes evakuiert werden.