Рабочий процесс в камере сгорания характеризовался высокой полнотой сгорания топлива и устойчивостью горения. От других отечественных двигателей своего класса АЛ-21 Ф-3 выгодно отличался не только лучшей экономичностью, но и меньшей дымностью, что обеспечивало вполне очевидные тактические выгоды, способствуя меньшей заметности самолета. До рекордной величины возросли допустимые температуры газов перед турбиной (параметр, определяющий эффективность термодинамического цикла): если у АП-7Ф-1 это значение составляло 1200 К, то у АЛ-21 Ф-3 допустимые температуры довели до 1370 К (впоследствии за счет технологических улучшений — до 1385 К). Форсажная камера и эжекторное реактивное сопло также имели охлаждение стенок, что повышало их ресурс. Ввиду высоких рабочих температур потребовалось внедрение новых жаростойких конструкционных материалов, ввели также охлаждение рабочих лопаток первой ступени и сопловых лопаток первой и второй ступени турбины на форсажном режиме воздухом, отбираемым от компрессора двигателя (на крейсерских режимах, когда температуры были более "щадящими", с целью повышения экономичности охлаждение отключалось). Всережимное сопло отличалось регулировкой: в закрытом положении на "максимале" оно сужалось, а на форсаже открывалось, расширяясь и образуя контур сверхзвукового сопла Лаваля.
Для ускорения создания перспективного изделия на новой модификации применили турбину, изначально разрабатываемую для АЛ-21 Ф-2, с минимальными переделками — заменили материал рабочих лопаток второй ступени, узлы маслосистемы, систему регулирования и питания топливом, электрооборудование и коммуникации ТРДФ. Коэффициент преемственности "тройки" по сравнению с АЛ-21 Ф равнялся 83,5 %.
Уже в январе 1970 года первый опытный двигатель был собран, а в феврале были проведены его стендовые испытания, подтвердившие заявленные характеристики. Положительно оценивая стендовые и летные испытания первых образцов АЛ-21 Ф-3, Комиссия по военно-промышленным вопросам Совмина СССР решением от сентября 1970 года и МАП приказом от 28 сентября того же года поручили московскому машиностроительному заводу (ММЗ) "Сатурн" довести новый двигатель до серии и предъявить его на совместные с ВВС стендовые сточасовые испытания к концу 1971 года.
По сравнению с предыдущими конструкциями и аналогичными изделиями других типов АЛ-21 Ф-3 выглядел достаточно экономичным: на полном форсажном режиме удельный расход составлял 1,87 кг/ кгс-час, на крейсерском с минимальным расходом топлива при тяге 3300…4500 кгс — 0,78 кг/кгс-час, что выглядело очень неплохо и даже порядком опережало задание (у АЛ-7Ф-1 эти значения равнялись, соответственно, 2,3 кг/кгс-час и 0,91 кг/кгс-час). Кроме того, новый двигатель был куда легче — "сухой" АЛ-21 Ф-3 весил 1720 кг против 2100 кг у АЛ-7Ф-1. Двигатели АЛ-21 Ф-3, предназначенные для установки на Су-17, выпускались в иной компоновке, чем для МиГ-23 и Су-24. От последних они отличались укороченной форсажной трубой, установкой левого редуктора для привода генераторов, иным креплением кожуха охлаждения, агрегаты зажигания турбостартера и основного контура устанавливались на нижней части компрессора двигателя (на АЛ-21 Ф-3 для Су-24 — на верхней).
Двигатель в окончательной "редакции" был форсирован на 25–30 %, что позволило на максимальном режиме получить тягу 7650 кгс, а на полном форсаже 10920 кгс. Такими характеристиками обладали АЛ-21 Ф-3 начальной "нулевой" серии, у последующих 1-й и ll-й серий тяга на максимале была доведена до 7800 кгс и на полном форсаже — до 11200 кгс. В дальнейшем на двигателях lll-й и IV-й серий, отличавшихся технологическими и ресурсными нововведениями, форсажная тяга была установлена равной 11250 кгс.
На первых порах по надежности новое "пламенное сердце" заметно уступало хорошо отработанному АЛ-7Ф1. Во время испытаний случались частые поломки и отказы, особую опасность представляли высокотемпературные "титановые пожары". Титан, при всех его достоинствах, был материалом вязким и "тягучим". Под действием центробежных нагрузок лопатки могли коснуться корпуса, благо зазоры по бандажам были минимальны, под трением происходил мгновенный разогрев, а при невысокой температуре воспламенения титана тут же происходило возгорание. Поток, гнавший через двигатель до сотни килограммов воздуха в секунду, стремительно раздувал пожар и внутри двигателя начинал полыхать вулкан с температурой под ЗОООо С. Можно не говорить, что тушить такой моментально развившийся пожар было бесполезно — струя пламени резала конструкцию, словно масло, с почти взрывным эффектом.
В процессе производства АЛ-21 ФЗ на московском "Салюте" потребовалось внести около 22 тысяч различных изменений в конструкторскую документацию, притом что общее количество деталей в двигателе составляло порядка 4800 штук. Любопытно, что из двух заводов, на которых производились АЛ-21ФЗ, лучшими качествами и надежностью выделялись как раз двигатели, собранные на Омском моторостроительном заводе, нежели изделия московского "Салюта". Показательным являлось то, что гарантийный ресурс в 500 часов, установленный для первых партий московских АЛ-21 Ф-3 в 1971 году, со следующего года пришлось понизить до 100 часов, затем, добиваясь его повышения буквально по крупицам (допускаемое число ремонтов позволило постепенно увеличить назначенный ресурс с первоначальных 650 часов у 1-11 серий до 1600 часов у III–IV серий, и двигатели могли оставаться в эксплуатации приличное время). Повысилась и экономичность изделия: у двигателей Ill-й и IV-й серий на полном форсажном режиме удельный расход составлял 1,86 кг/кгс-час, на крейсерском с минимальным расходом топлива при тяге 3300…4500 кгс — 0,76 кг/кгс-час.
