При доработке конструкции самолета «Электра» был усилен планер, увеличены объемы топливных баков и длина самолета для установки в передней части фюзеляжа поисковой РЛС, в хвостовой части фюзеляжа — штанги с магнитным обнаружителем, нового авиационного оборудования и систем общего назначения В оружейном отсеке могли размещаться мины, глубинные бомбы, торпеды или ядерное оружие. Кроме того, самолет имел 10 подкрыльевых пилонов для подвески различного вооружения. Конструкция исходного варианта самолета Р-3 и последующих модификаций в целом одинакова.

Самолет представляет собой четырехдвигательный моноплан со свободнонесущим низкорасположенным крылом. Крыло кессонное, безопасно повреждаемое, изготовлено с применением алюминиевых сплавов. Элероны, рули направления и высоты имеют бустерное управление, с гидравлическими приводами. Фюзеляж типа полумонокок, круглого сечения, с внешним диаметром 3,45 м. В нижней части фюзеляжа перед крылом расположен оружейный отсек. Шасси трехопорное, каждая стойка оснащена двумя бескамерными пневматиками.

В 1960-х гг. несколько самолетов Р-3А были модифицированы в варианты специального назначения. ЕР-3А с радиоэлектронным оборудованием для ведения электронной разведки (7 самолетов), ЕР-3В усовершенствованный вариант ЕР-3А для ведения радиоэлектронной разведки (2 самолета), WP-3A для разведки погоды (4 самолета). Десять самолетов Р-3А и два самолета ЕР-3В были модифицированы в вариант ЕР-3Е со специальным разведывательным оборудованием, установленным в больших обтекателях в верхней и нижней частях фюзеляжа, а также имели подфюзеляжный обтекатель радиолокационной антенны перед крылом. 12 самолетов Р-3А были модифицированы в учебно-тренировочный вариант ТР-3А для подготовки пилотов без противолодочного вооружения. В качестве транспортных самолетов общего назначения UP-3A использовались 38 самолетов Р-3А (с них убрали все противолодочное вооружение). В ноябре 1978 г. самолеты Р-3А были сняты с вооружения, но продолжают эксплуатироваться в резерве ВМС.

В конце 1965 г. начато серийное производство самолета Р-3В, на котором устанавливались двигатели Аллисон Т56-А-14 мощностью по 4910 л.с., система обнаружения подводных лодок «Делтик» и радиовысотомеры системы предупреждения о близости к поверхности. В 1965–1970 гг. фирма построила 144 самолета Р-3В, из которых 124 поставлены ВМС США, а часть — в Новую Зеландию, Австралию и Норвегию. На конец 1983 г. на вооружении ВМС США состояли 45 самолетов Р-3В и некоторые находились в резерве ВМС.

На самолете Р-3В установлен модифицированный комплект оборудования, который включает усовершенствованную под стандарт MIL-STD-1553А РЛС AN/APS-134 (впоследствии она модифицирована в РЛС AN/APS-137 с синтезированной апертурой, способную классифицировать надводные цели на большой дальности, что создает условия для применения противокорабельной УР «Гарпун»); ИК-систему обнаружения целей AN/AAS-36, которая может управляться с помощью РЛС и способна определять размеры цели; 3 цифровые ЭВМ Контрол Лейте N/AYK-14 с общей емкостью памяти 192К слов, оснащенные шинами передачи данных, соответствующими стандарту MIL-STD-1553A; ИНС Литтон LTN-72; радионавигационную систему Литтон LTN-211 «Омега»; самописец данных Ханиуэлл AN/ASH-33 для послеполетного анализа; кассетный видеомагнитофон ТЕАС V-1000-АВ для записи изображения, получаемого с помощью ИК-системы; быстродействующее печатающее устройство Дейтаметик 4003; магнитный обнаружитель ASQ-10A; вычислитель для обработки акустических сигналов AQA-5, позволяющий обрабатывать сигналы от 16 гидроакустических буев одновременно. На некоторых самолетах Р-3В установлена поисковая РЛС ЕМ1 «Серчуотер», обеспечивающая эффективное применение противокорабельных УР «Гарпун».

Самолет Р-3С создан на основе Р-3В. Первый полет состоялся в сентябре 1968 г. Выпускался в вариантах Р-3С Update I, II, III и IV. Вариант Р-3С Update I оснащался усовершенствованым авиационным электронным оборудованием (начало поставок январь 1975 г.) Вариант Р-3С Update II — поисковой РЛС AN/APS-125, способной обнаруживать истребители и небольшие надводные корабли на дальностях свыше 240 км (до радиолокационного горизонта), системами акустического и ИК-обнаружения и шестью ракетами «воздух-поверхность» «Гарпун» (начало поставок август 1977 г.). Вариант Р-3С Update III оборудовался устройствами обработки акустических сигналов и приемником сигналов с акустических буев, а также усовершенствованным блоком звукового воспроизведения (начало поставок май 1984 г.). Вариант Р-3С Update IV обладал усовершенствованной системой приборов радиоэлектронной разведки, дополнительной РЛС AN/APS-137(V) и датчиками для обнаружения бесшумных подводных лодок.

В навигационно-связное оборудование самолета Р-3С входят две неинерциальные навигационные системы LTN-72, доплеровская навигационная система AN/APN-227, радионавигационные системы ARN «Лоран» А (С) и AN/ARN-118 TACAN, приемники всенаправленного радиомаяка, курсового маяка маркерного радиомаяка, глиссадный приемник АРК ARN-83 и ARA-50, приемопередатчики метрового, дека- и дециметрового диапазонов ARC-101, ARC-161 и ARC-143, оборудование для кодированной связи в дека- и дециметровом диапазонах, ответчик АРХ-72 системы опознавания.

Противолодочное оборудование включает поисковую РЛС APS-115 кругового обзора, два приемника ARR-72 сигналов РГБ, две системы AQA-7 обработки и индикации сигналов РГБ «Дифар», самописец акустических сигналов AQH-4, магнитные обнаружители ASQ-81 и ASA-64, оборудование РЭП ALQ-78, автоматическую панорамную фотокамеру КВ-18А для оценки результатов атаки цели и т. д. Кроме того, на самолетах Р-3С может устанавливаться радиовысотомер APN-194, вычислитель истинной воздушной скорости А/А 24G-9, система автоматического управления полетом ASW-31 и другое оборудование.