Также как и Л-1 и Л-2, этот проект был частью лунной программы, которая была выработана в сентябре 1963 года. Л-3 имел много версий и постоянно изменялся и дополнялся. Первая версия этого проекта была разработана Королёвым. Он состоял из 200-тонного космического корабля, собиравшийся на земной орбите из элементов, выводимых тремя пусками РН Н-1 и одной РН "Союз", который совершал бы прямую посадку (без захода на орбиту спутника Луны).

Первая Н-1 выводила бы в космос разгонный блок и лунный корабль (без аппарата для возращения на Землю), два последующих пуска обеспечили бы доставку нужного количества топлива. После того, как все эти операции завершались, запускался и стыковался с созданным комплексом космический корабль "Союз" с экипажем 2-3 человека. "Союз", к тому же, использовался для возращения на Землю. Таким образом, в проекте Л-3 на орбите создавался аппарат, состоящий из двигательной установки (весом 138 т), которая выводила весь аппарат на траекторию полёта к Луне, системы торможения, используемую и для коррекции траектории (на расстоянии 100 000 км и затем 150 000 км от Земли для обеспечения попадания в нужную точку) и системы возращения. Тормозная часть имела массу 40 тонн и обеспечивала мягкую посадку лунного корабля с возвращаемой частью массой 21 т. Возвращаемая часть представляла собой "Союз", состоящий из служебного отсека и спускаемого аппарата.

В ходе одного полёта по программе Л-3 на Луне должны были побывать 2-3 советских космонавта. Общее время всего полёта составляло бы 10-17 дней, из которых 2,5-3,5 дня должны были быть потрачены на полёт на участках Земля-Луна и Луна-Земля, а 5-10 дней - непосредственно на работу на лунной поверхности.

Этот проект так и завершился, не начавшись (хотя и послужил основой для Н1-Л3), поскольку всё было начато слишком поздно. Может быть, если бы работы по Л-3 начались лет на пять раньше, были бы шансы на реализацию этой идеи, но к концу 60-х стало ясно, что прямая посадка на Луну слишком дорога и неэффективна, и СССР пришлось пойти по пути США: создавать систему из двух аппаратов: посадочного и орбитального.