К работам над усовершенствованным вариантом приступили в начале 1954 года. Был доработан опытный самолет СМ-9/2 и построена ещё одна экспериментальная машина, СМ-9/3. В отличие от СМ-9/2, созданного путём переделки СМ-2/2, СМ-9/3 был совершенно новым самолетом.
Внешне СМ-9/3 имел ряд заметных отличий от серийного МиГ-19. Маленькую антенну у носового колеса перенесли назад, за нишу шасси, установив ее по центру самолёта. Изменились очертания фонаря кабины, а мачту радиоантенны по правому борту сдвинули вперед.
Вооружение на СМ-9/3 осталось таким же, как и на МиГ-19: две пушки НР-23 в корне крыла и пушка НР-37Д в носовой части по правому борту. Но на фюзеляже, в районе стволов пушек сделали усиливающие накладки.
В усовершенствованную систему управления включили необратимый бустер БУ-14МС и автомат регулировки управления АРУ-2, счётно-решающее устройство которого в зависимости от высоты и скорости полёта регулировало отклонение стабилизатора и нагрузку на ручку управления. Установка этой системы потребовала оснастить самолёт гаргротом сверху фюзеляжа, в котором проходили линии управления. Кроме того установили резервную электромеханическую систему АПС-4 на случай полного выхода из строя гидросистемы. Ещё одним внешним отличием стала маленькая антенна сверху хвостовой части фюзеляжа.
Конструкция хвостового оперения была полностью переработана для установки цельноповоротного руля высоты. Рулём высоты осуществлялось управление только по тангажу. Руль направления имел весовую компенсацию. МиГ-19 имел два располагавшихся рядом воздухозаборника у основания стабилизатора, а на СМ-9/3 (и МиГ-19С) остался только один. На СМ-9/3 был удалён приёмоотвегчик СОД-57 по правому борту, а площадь форкиля несколько увеличена. Воздухозаборник с правой стороны форкиля сдвинули назад, а обтекатель системы "Сирена-2" на киле увеличили в размере.
Первоначально СМ-9/3 имел такой же руль направления, как и серийный МиГ-19, но в процессе заводских испытаний его площадь уменьшили. В таком виде руль направления использовался в дальнейшем на всех серийных самолётах. В начале испытаний СМ-9/3 нес знаки национальной принадлежности на задней части фюзеляжа и киле, но затем звезды с фюзеляжа исчезли.
Новый самолёт оснастили третьим под-фюзеляжным тормозным щитком, одновременно ограничив угол отклонения боковых щитков. Это было сделано, чтобы избежать резкого заброса на большие углы атаки, возникавшего, когда зона разряжения от выпущенных щитков меняла характер обтекания горизонтального оперения.
