3歳初戦は、3月14日にオークローンパーク競馬場のG2、レベルステークスに出走した。このレースでアメリカンファラオには他馬より2ポンド（約0.9キログラム）以上重い119ポンド（約54.0キログラム）の重量が課されたが、単勝1.4倍の支持に応え、6馬身4分の1差で勝利した。次走には、同じオークローンパーク競馬場で4月11日に開催されたG1、アーカンソーダービー（ダート8ハロン）に出走した。8頭での競走で単勝1.1倍の圧倒的な1番人気に推されたアメリカンファラオは、ここでも8馬身差の圧勝を飾った。5月2日、アメリカンファラオはアメリカ三冠の1戦目・ケンタッキーダービー（ダート10ハロン）に出走。出走馬18頭となったこの競走は、単勝の1番人気がアメリカンファラオ（3.9倍）で、以下G1・サンタアニタダービーなど6戦無敗のドルトムント（Dortmund）、BCジュヴェナイル2着馬でG1・ブルーグラスステークスなどに勝利したカープディーム（Carpe Diem）、G3・サンランドダービーの勝ち馬で、5戦2勝2着3回と安定した成績を残してきたファイアリングライン（Firing Line）と続いた。レースは序盤からドルトムントが逃げ、その後にファイアリングライン、アメリカンファラオの順に進む。他馬も向こう正面までは後ろを追走していたが、第3コーナーからこの3頭が引き離しにかかる。最後の直線では、最内にドルトムント、その外にファイアリングライン、一番外にアメリカンファラオが並び叩き合う。まずドルトムントが脱落し、その後抜け出したアメリカンファラオが2着のファイアリングラインに1馬身の差をつけて優勝した。エスピノーザは、「初めて騎乗したときから、彼はずっと特別な馬だ」「彼は多くの才能を持っており、信じられない馬だ」と述べた。なお、エスピノーザはレース中にムチで32回アメリカンファラオを打っているように見え、使用が多過ぎるのではないかと審査が行われた。その結果チャーチルダウンズ競馬場の裁決委員は、「何度も何度もリプレイを見直したが、問題となるようなことは無かった」との見解を示した。またバファートは、「エスピノーザは（馬体ではなく）ゼッケンの上から打っていた」と述べた。ケンタッキーダービーの2週間後の5月16日に、アメリカンファラオはアメリカ三冠の2戦目、プリークネスステークス（ダート9.5ハロン）に出走、単勝1.9倍の1番人気に支持された。発走の直前には雷を伴う激しい雨に見舞われ、1983年以来となる不良馬場での競走となった。レースでは、1番枠から出走したアメリカンファラオがスタート後のホームストレッチで先頭に立ち、後続を離して逃げていく。第3コーナーから第4コーナーにかけてドルトムントら後続も差を詰めにかかるがアメリカンファラオは先頭を譲らない。直線に入ると後続を引き離す一方で、エスピノーザはムチを使うことなく7馬身差をつけて優勝、二冠を達成した。エスピノーザにとっては、前年のカリフォルニアクローム（California Chrome）に続き2年連続でのケンタッキーダービー・プリークネスステークス制覇となった。また、バファートにとってはアメリカ三冠の最初の二冠を制したのは過去19年で4度目である。この競走の後に、ザヤットはアメリカンファラオの種牡馬としての権利をクールモアグループに売却し、2015年終了後にアシュフォードスタッドで種牡馬入りすることを発表した（しかし、この譲渡交渉は2014年の間に既に成立していたとされている）。ベルモントステークスに向け、バファートはアメリカンファラオを自らの厩舎があるチャーチルダウンズ競馬場で調教して競走直前の火曜日にベルモントパーク競馬場に輸送することにした。現地での調整を行わない方法に疑問を呈する調教師もいたが、バファートはアメリカンファラオを「ハッピー」に保つことが重要だと考え、2001年には同様の方法でポイントギヴンにベルモントステークスを勝たせていた。6月6日のベルモントステークスは、8頭での競走となった。他の7頭のうち、5頭はプリークネスステークスを回避してケンタッキーダービーから直行、1頭は逆にプリークネスステークスのみに出走、もう1頭はピーターパンステークスを経由しての出走と、5週間で全てが行われ日程的に厳しいアメリカクラシック三冠競走に全て出走していたのはアメリカンファラオだけであった。レースでは、揃ったスタートからすぐにアメリカンファラオがリードをとり、最初のコーナーに向かっていく。第3コーナーから多くの馬は騎手が手綱を動かし始めるが、アメリカンファラオは持ったままで先頭を走り続ける。直線に入るとこれまでのレースと同様に差を広げていき、5馬身1/2差で優勝、1978年のアファームド以来、37年振り12頭目となるアメリカクラシック三冠馬となった。なお、ベルモントパーク競馬場で発売されたアメリカンファラオの単勝馬券は9万4128票であったが、競走の2日後の午後でも95%以上に当たる9万237票が換金されておらず、そのほとんどが記念馬券として保存または売買されていると考えられている。ベルモントステークスの翌朝には、バファートがベルモントパーク競馬場に報道関係者を招き入れ、約30人がアメリカンファラオと触れ合うことが出来た。チャーチルダウンズ競馬場に戻ったアメリカンファラオは、6月13日に同競馬場でお披露目され、約3万人が駆け付けた。また、関係者にケンタッキーダービーの記念品と三冠のトロフィーも授与された。8月2日、アメリカンファラオは、G1・ハスケルインビテーショナルステークス（ダート9ハロン）に出走。7頭立てとなったこの競走では、道中は他馬に先頭を譲り、2番手で追走する。しかし第3-4コーナーにかけて仕掛け先頭を奪うと、直線では騎手が持ったままで2着に2馬身1/4差をつけ勝利した。次走には、サラトガ競馬場のトラヴァーズステークス（ダート10ハロン）が選ばれた。これはザヤットが望んだものであったが、バファートは、8月に2度目の出走となり、しかもいずれもアメリカ大陸を横断する遠征となるため、アメリカンファラオに対する負担を考慮して乗り気ではなかった。しかし調教は順調であったため、「トラヴァーズステークスに出走しない口実を探してみたが、見つからなかった」として出走を決めた。この競走は10頭で行われた。特に暑い日ではなかったが、発走ゲートでアメリカンファラオに発汗が見られたことから、エスピノーザは不安を感じていた。レースでは、スタート直後からアメリカンファラオが先頭に立つが、道中は常にフロステッド（Frosted）が1馬身以内につけてプレッシャーをかける。最後の直線に入り何とかフロステッドを振り切るが、外から追い上げたキーンアイス（Keen Ice）に交わされ、3/4馬身差の2着に敗れた。この敗戦について、エスピノーザは「3週間の間に飛行機で往復したのが少し厳しかったかもしれない。アメリカンファラオは非常に気持ちよく走っていたが、いつもとは少し違った」とコメントした。ザヤットは敗戦直後にはアメリカンファラオの引退も口にしたが、5日後には「今回はアメリカンファラオがベストを出せない複合的な要因があったと思うが、再びベストの走りが出来る自信がある」として、ブリーダーズカップ・クラシックへの出走を表明した。10月31日のブリーダーズカップ・クラシック（ダート10ハロン）には8頭が出走。その中でもアメリカンファラオは単勝1.7倍の1番人気に推される。レースではスタート直後から先頭に立ったアメリカンファラオは、道中は後続に1-2馬身差をつけて逃げる。3コーナーから動き始めると、直線では2着馬との差を広げ、6馬身半差で優勝、有終の美を飾った。勝ちタイムの2分0秒07は、従来のコースレコードを5秒以上更新するものであった。以上の活躍を受け、2015年エクリプス賞の年度代表馬および最優秀3歳牡馬に満票で選出された。年度代表馬に満票で選出されたのは、1981年のジョンヘンリー以来2頭目である。また、バファートは最優秀調教師、ザヤットは最優秀馬主および最優秀生産者に選ばれた。一方、エスピノーザは最優秀騎手表彰で、ハビエル・カステリャーノに次ぐ2位であった。