С целью повышения экономичности тепловоза ЧМЭ3 конструкторы завода Локомотивка-Соколовка несколько перепроектировали его. По новому проекту в 1977 году было построено два опытных тепловоза ЧМЭ3М. После испытаний они поступили в опытную эксплуатацию в депо Люблино.
Мощность дизеля возросла до 1500 л.с. при 775 оборотах (увеличен наддув с 1,6 атм. до 1,7 атм.), внесено множество изменений в электрике, изменены некоторые параметры конструкции (длина рамы, ширина колёсной базы тележек). Служебная масса тепловоза увеличилась со 123 до 126 т, запас топлива возрос с 5000 до 6000 кг. Максимальная скорость повышена с 85 до 100 км/ч.
Было сделано всего два ЧМЭ3М, но применённое на них электронное оборудование и новые конструктивные решения ряда узлов и деталей в дальнейшем использовались заводами при создании тепловозов ЧМЭ3Т и ЧМЭ5.