2000年代初，由于大批早期生产的韶山1型电力机车逐步老化，且中国西部地区的湘黔铁路、贵昆铁路、阳安铁路、西康铁路等铁路干线仍然大量采用韶山1型电力机车双机重联牵引货物列车，中华人民共和国铁道部于2002年9月正式向中国南车集团、中国北车集团下达了研制新型固定重联电力机车的设计任务，并要求在2003年1月开始交付试验。由于时间紧迫，新型电力机车由南车集团旗下的株洲电力机车研究所、株洲电力机车厂、资阳机车厂、以及北车集团旗下的大同电力机车厂、大连机车车辆厂联合研制，并于2002年10月底由株洲电力机车厂完成了设计工作，并由资阳厂负责试制 ，新机车被定型为韶山3B型电力机车。
韶山3B型电力机车以韶山3型4000系电力机车为基础，由两节完全相同的六轴机车通过机械、电气、空气重联管线，并采用网络控制技术，组成一组完整的十二轴大功率电力机车；为了节省设计时间，其总体设计与韶山3型电力机车相比未有较大变化，机车车头外观和标准化司机室布置也和韶山4改进型电力机车基本相同。机车持续功率2×4350千瓦，最高运行速度100公里/小时，是当时中国国内功率最大的电力机车。 韶山3B型电力机车是双机重联的十二轴大功率干线货运用电力机车，由两节完全相同的六轴机车通过中间车钩、橡胶联挂风挡、电气及空气重联管线等连接而成，每节机车是一个完整的系统，亦可分开单独使用。两节机车之间设有内部电气重联控制电缆（内重联）、空气制动系统的重联控制风管、控制电缆、网络屏蔽线等，并有中间走廊连通，车顶设有25千伏高压连接线，可由司机在任何一端司机室对两节机车进行控制 。但韶山3B型电力机车并没有外重联控制，不能与另外一台韶山3B型机车重联运行，这与韶山3型、韶山4型机车不同。
机车总体布置与韶山3型电力机车基本相同，每节机车均是在韶山3型4000系电力机车基础上，取消一个司机室、一台受电弓、一台空气压缩机。机车车体采用框架式整体承载结构；通风系统采用车体通风方式，侧墙百叶窗是车内设备通风冷却的进风窗口，百叶窗采用竖式结构。机车沿用贯穿式双侧内走廊；主要电器设备以机车最重设备主变压器为中央，分平面斜对称布置为主，有利于重量平衡；每节机车司机室之后车顶装一台DSA200型受电弓；车顶中部装有真空断路器、高压电压互感器、高压隔离开关等设备。
机车轴式2×（Co+Co），持续功率2×4320千瓦，最高速度100公里/小时。电气制动为加馈电阻制动，最大轮周制动功率达8000千瓦。机车在4‰的直线坡道上可停坡起动10000吨货物列车，并可按54公里/小时的均衡速度运行。机车在6‰的直线坡道上可停坡起动6000吨货物列车，并可按64公里/小时的均衡速度运行。 韶山3B型电力机车是交—直流电传动的单相工频交流电力机车，机车主电路与韶山3型4000系电力机车基本相同。接触网导线上的25千伏单相工频交流电电流，经受电弓进入机车后经过主断路器再进入主变压器，交流电从主变压器的牵引绕组经过晶闸管整流后，向六台分两组并联的牵引电动机集中供应直流电，使牵引电动机产生转矩，将电能转变为机械能，经过齿轮的传递驱动轮对。
韶山3B型电力机车采用由整流二极管与晶闸管等组成的主变压器低压侧晶闸管不等分三段半控桥相控平滑调压、双拍全波桥式整流。每节机车设有两个整流机组，分别向前、后转向架的两组三台电机并联供电。 韶山3B型电力机车控制电路采用了逻辑控制单元（LCU）、微机柜和网络控制技术，取代了韶山3型电力机车的模拟控制系统。机车增加了采用基于列车通信网络（TCN）国际标准的网络控制系统，机车控制采用分布式微机控制系统，由列车总线和车辆总线两级网络构成，将中央控制单元（CCU）、牵引控制单元（TCU）、彩色液晶显示屏（IDU）、机车综合检测装置（TAX2）、逻辑控制单元、制动逻辑控制装置（DKL）通过车辆总线（MVB）连成一体，并通过列车总线（WTB）将两节机车的信息交换连接起来 。两节机车之间由各自的中央控制单元（CCU）通过网卡及列车总线进行通信以对后节车进行控制，单节机车内由列车总线连接车内各控制单元，机车的工作情况和故障诊断信息均能够在司机控制台显示屏显示。网络控制系统的采用大幅减少了机车内部TCU、LCU、司机控制台之间的连线数量。
