В 1966 году (по другим данным — 1967) выпущена партия из трёх двухсекционных (6 секций) тепловозов, которым присвоили обозначение ПТЭ3 (№ 2511, 2512, 2521[15], но известно также фото ПТЭ3-2039[16]). Конструктивно это были серийные ТЭ3, у которых было предусмотрено автоматическое поддержание скорости 10 км/ч и возможность синхронного движения двух тепловозов на параллельных путях по СМЕ[11][17]. Непосредственное участие в их создании принял Л. С. Лебедянский.(http://rivershkiper.livejournal.com/1433.html)
Все тепловозы ПТЭ3 поступили для работы на космодром Байконур, где в основном доставляли ракеты к стартовым комплексам. В 1990-х — 2000-х все ПТЭ3 были исключены из инвентаря[15].