完成试验后，哈尔科夫运输机械制造厂于1955年开始批量生产TE3型柴油机车。1956年，[[科洛姆纳]]工厂、伏罗希洛夫格勒内燃机车制造厂也按照相同的图纸开始批量生产TE3型柴油机车，哈尔科夫电机制造厂负责为各总组装厂提供机车电气设备。根据苏联铁道部的安排，哈尔科夫运输机械制造厂生产的机车号段为001～1000，科洛姆纳工厂号段为1001～2000，伏罗希洛夫格勒工厂号段为2001～。1950年代末起，TE3型柴油机车开始在苏联各地迅速普及，并成为[[苏联]]铁路史上产量最大的干线柴油机车车型之一，对苏联铁路牵引动力内燃化的快速过渡具有重要贡献。至1973年停产，三家工厂累计生产了6797台TE3型机车，其中哈尔科夫工厂生产了599台，科洛姆纳工厂生产了404台，伏罗希洛夫格勒工厂生产了5805台。