韶山3型电力机车是六轴干线客货运通用电力机车，采用双边内走廊，设两端司机室；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；车顶两端各装一台单臂式受电弓；车顶中部装一台主断路器。为了方便车体减轻自重、满足轻量化要求，同时又增加结构的刚度和强度，传统的底架承载结构型式已不能满足要求，而代之以框架式整体承载结构形式。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，过滤除尘效果较好，外形美观大方。
机车最大速度100公里/小时，轴式Co-Co，小时功率为4800千瓦，持续功率为4320千瓦，比韶山1型机车提高14.3%，因此机车具有较大的牵引力。机车轮周电阻制动功率达4000千瓦，比韶山1型机车电阻制动功率提高25%，两级电阻制动改善了机车低速工况下的制动能力，韶山3型4000系电气制动采用加馈电阻制动。 韶山3型电力机车是交—直流电传动的单相工频交流电力机车。机车主电路主要是由受电弓、主断路器、高压电流互感器、主变压器、硅整流装置、牵引电机、高压电器柜、平波电抗器、制动电阻柜及电路保护装置等组成，是产生机车牵引力和制动力的主体电路。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硅机组整流后，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3型电力机车采用双拍全波桥式整流、低压侧调压开关与晶闸管相控相结合的调压方式，利用低压侧调压开关实现8个大调压级和在每级内利用晶闸管相控无级调压，实现了调压开关8级级间晶闸管相控平滑调压，获得了相当于8段相控无级调压特性。这种调压方式既保留了调压开关功率因数较高、谐波分量和通信干扰较小的特点，又具有平滑无级调压充分利用机车粘着重量的特点。由于采用级间平滑调压加上恒流限制控制，使机车具有较好的加速特性。
随着中国的大功率晶闸管制造技术日趋成熟，且级间平滑调压仍然采用调压开关级间转换，主电路系统相对复杂，因此韶山3型4000系机车改为全相控调压方式，采用晶闸管不等分三段半控桥式相控无级调压。 机车走行部为两台完全相同的三轴转向架。首台韶山3型电力机车出厂时曾经装用均衡梁组合式转向架，与韶山1型电力机车转向架基本相同，但在运用考核中发现均衡梁容易失稳从而引起轴重分配不均，且使用中均衡梁作用不灵活、空转现象严重。为此，株洲电力机车厂于1983年决定在不改变转向架原本技术参数和机车其他部件的前提下，参考ND4型、东风4型柴油机车转向架的长处，简化韶山3型机车转向架结构，取消均衡梁改为独立悬挂，一系悬挂采用轴箱螺旋钢弹簧与弹性定位拉杆悬挂结构，增大一系悬挂轴箱拉杆的总横向刚度，以减少磨耗件和减轻簧下重量；转向架二系悬挂由双中央支承体牵引改成橡胶堆全旁承承载加横向油压减振器，改善转向架受力情况；牵引力和制动力通过牵引中心销传递。轴箱轴承采用能承受轴向和径向的滚动轴承。但由于其中心销式牵引装置因电机悬挂妨碍了中心销位置下移，因此其牵引位置较高，不利于机车的粘着利用 。韶山3型4000系电力机车的牵引装置改为采用平行拉杆牵引装置结构，将牵引点高度由距轨面750毫米降至460毫米，减少转向架的轴重转移，有效提高机车最大粘着率的发挥。
每台转向架装用三台带有补偿绕组、四极、高电压的ZQ800-1型串励脉流牵引电动机，小时功率为800千瓦，持续功率720千瓦，额定电压为1550伏。牵引电机采取抱轴式悬挂、双侧刚性斜齿传动方式。基础制动采用单元制动器。
