РА3 стал преемником дизель-поезда серии РА2, выпуск которого был прекращён в 2015 году из-за изменившихся требований по безопасности и удобству. Новые поезда должны были оснащаться защитными крэш-элементами, современными микроклиматическими системами, быть доступными для людей с ограниченными возможностями. Помимо этого, выпуск РА3 должен был сократить обозначившийся дефицит дизель-поездов на железных дорогах России.

Разработка РА3 началась в конце 2017 года. Главным конструктором был назначен Евгений Бандурин (ООО «ТМХ Инжиниринг»). За основу были взяты конструкции дизель-поездов РА2 и ДП-С. В ходе работ была разработана лобовая маска головных вагонов, обеспечивающая улучшенный обзор, произведена адаптация для установки крэш-элементов, изменена геометрия кузова, доработан пассажирский салон, установлена микропроцессорная система и новый пульт управления в кабине машиниста.

Благодаря изменению передаточного числа редуктора, удалось повысить конструкционную скорость поезда до 120 км/ч. Для экономии топлива была создана новая система управления торможением. Для повышения эксплуатационной надёжности был разработан целый ряд элементов, благодаря чему срок службы РА3 был увеличен с 25 до 40 лет.

Первый РА3 был построен и представлен в начале 2019 года в московском депо Лихоборы. Через несколько месяцев были построены второй и третий составы. Изначально первые два Орлана получили серо-белую окраску, используемую на электропоездах ЭД4М и ЭП2Д, но позднее были перекрашены в оранжево-чёрно-голубые цвета для использования на линиях Центральной пригородной пассажирской компании (ЦППК).

В 2020 году были получены все необходимые сертификаты для серийного выпуска поездов. Всего был построен 91 состав.

Поезда выпускались в различной окраске: красно-серой (ОАО «РЖД»), голубой (ЮППК), оранжево-чёрно-голубой (ЦППК).

В 2024 году российские разработчики, совместно с компанией Alstom, планировали создать поезд с водородными топливными элементами на базе РА3 «Орлан».