Работы по модернизации были проведены в 1952–1953 гг. на ЛКЗ и ЧКЗ. Усовершенствовано 754 танка на ЛКЗ и 314 — на ЧКЗ. С вооружения МО РФ танк был снят в 1997 г.

В результате проведенных мероприятий: усилена жесткость корпуса, установлены новый дизель В-54К-ИС, более совершенный воздухоочиститель, радиостанция Р-113 и зенитная установка с пулеметом ДШКМ. На танке установили ночной прибор механика-водителя, смотровой прибор командира, подогреватель двигателя, систему командирского целеуказания.

В первую очередь была усилена жесткость днища корпуса накладными бронелистами, в кормовой части установлены дополнительные косынки и планки.

Вооружение танка ИС-3М 122-мм нарезная пушка Д-25Т, со спаренным с ней 7,б2-мм пулеметом ДТМ, в зенитной установке 12,7-мм пулемет ДШКМ. При стрельбе из пушки и спаренного с ней пулемета применялся телескопический шарнирный прицел ТШ-17. Коллиматорный прицел К10-Т — при стрельбе из пулемета ДШКМ. На командирском люке установили смотровой прибор ТПК-1, у механика-водителя — ночной ИК-прибор ТВН-2.

В боекомплект пушки входили выстрелы с бронебойно-трассирующими остроголовыми и тупоголовыми снарядами и осколочно-фугасными снарядами раздельно-гильзового заряжания. Максимальная дальность стрельбы — 15 000 м. Скорострельность из пушки не превышала 3 выстр./мин.

На усовершенствованные танки устанавливали дизели В-54К-ИС мощностью 382 кВт (520 л. с.) вместо дизеля В-11-ИС-3. В зимнее время использовался подогреватель с низконапорной испарительной камерой сгорания (НИКС-1) для обеспечения пуска двигателя при низких температура.

Предусмотрена установка двух дополнительных бочек с топливом для увеличения запаса хода до 450 км.

На верхнем кормовом листе корпуса танка крепились две дымовые шашки с дистанционным управлением для постановки дымовых завес.

Трансмиссия, ходовая часть и электрооборудование по сравнению с танком ИС-3 получили лишь незначительные изменения.

Первое и единственное боевое применение танков ИС-3М Советской Армией было в ходе событий 1956 года в Венгрии.

Около 100 машин ИС-3М были переданы армии Египта, которые вступили в бой в июне 1967 года, во время «шестидневной войны» с Израилем. При отступлении танки, брошенные египетскими танкистами, достались Израилю. В войне 1973 года, часть этих ИСов была использована в качестве долговременных огневых точек на израильской стороне. ИС-3М еще долгое время несли службу в армии Израиля в качестве тяжелых тягачей и дотов.

В 1970–1980-е годы тяжелые танки ИС-3М в Советском Союзе использовались в качестве учебных машин, а часть их поступила на вооружение укрепленных районов на границе с Китаем.

Тяжелый танк ИС-3М экспонируется в 1 павильоне Технического центра парка «Патриот».