Своим появлением эта машина во многом обязана быстрому совершенствованию атомного оружия в США. Как только массово-габаритные характеристики ядерных боеприпасов уменьшились настолько, что их носителем мог стать самолет со взлетной массой около 30т, командование американских ВМС захотело иметь такое оружие у себя на палубах. Первым ядерным бомбардировщиком, полностью пригодным к эксплуатации с авианосцев, стал North American AJ-2 Savage. В начале пятидесятых годов эти самолеты были основной ударной силой флота США. Однако оснащенные прямым крылом и комбинированной силовой установкой (два поршневых и один турбореактивный двигатели), они к тому времени уже устарели и требовали замены. Компания North American предложила самолет XA2J Super Savage с двумя турбовинтовыми двигателями Allison T-40-A-6, но его летные характеристики оказались невысокими и предпочтение было отдано проекту фирмы Douglas.

Специалистами фирмы Douglas был разработан проект трехместного самолета с высокорасположенным стреловидным крылом и двумя перспективными турбореактивными двигателями Westinghouse J-40, расположеными под крылом на пилонах. Определяющим фактором при проектировании стали размеры бомбового отсека, длина которого должна была быть не менее 4.57м для размещения атомной бомбы. Максимальная бомбовая нагрузка составляла 5440кг. В качестве оборонительного вооружения в хвостовой дистанционной установке были установлены две 20-мм пушки. В конце 1949 года был подписан контракт на постройку двух прототипов, первый из которых взлетел в октябре 1952 года под обозначением XA3D. Испытания выявили ряд серьезных недостатков силовой установки J-40 и второй прототип YA3D оснастили двигателями Pratt Whitney J-57-P6 тягой по 4400кг. На новом самолете предусмотрели возможность установки дюжины ракетных ускорителей, которые позволяли самолету взлетать с палубы авианосца без катапульты.

Серийное производство новых тяжелых штурмовиков A3D Skywarrior было начато в 1956 году. Всего было выпущено 50 машин первой модификации A3D-1 (A-3A), а в июне 1956 года начался выпуск второй модификации A3D-2 (A-3B) с усиленной конструкцией, несколько увеличенной площадью крыла и более мощными двигателями J-57-P10 с тягой по 5625кг, что позволило увеличить бомбовую нагрузку до 5810кг. С целью сокращения длины пробега при посадке на сухопутный аэродром самолет оснастили тормозным парашютом. Новая версия получила возможность дозаправки в полете, для чего была установлена соответствующая аппаратура и штанга топливоприемника. На штурмовиках более поздних серий кормовые пушки не ставились, а хвостовая часть приобрела более аэродинамическую форму.

В начале шестидесятых годов на вооружение флота США поступили атомные подводные лодки с баллистическими ракетами UGM-27 Polaris, и стратегическая значимость авианосцев с ядерными носителями на борту существенно уменьшилась. Кроме того, появились новые палубные самолеты, способные выполнять задачи, взложенные на Skywarrior с большей эффективностью. К 1967 году штурмовиков A-3 в составе авиакрыльев не осталось.

Разведывательный вариант RA-3 предназначался для ведения фоторазведки днем, а также ночью с использованием осветительных бомб. Его прототип взлетел в июле 1958 года и в том же году началось серийное производство. Самолет оснащался аппаратами для дневной, ночной и картографической съемки местности, установленными в передней части бомбоотсека. Два фотооператора находились в герметизированной части бомбоотсека, которая имела два круглых иллюминатора по бортам. Самолет обладал возможностью дозаправки в полете. Боевое крещение эти фоторазведчики получили во время Карибского конфликта, когда они вместе со стратегическими U-2 и базовыми P-2 Neptune постоянно работали над островом и прилегающей акваторией.

Одной из важнейших специальностей самолета Skywarrior стало обнаружение РЛС противника и постановка им активных помех. Серийный самолет радиоэлектронной борьбы получил обозначение A3D-2Q (ЕА-3В). На месте бомбоотсека организовали герметичную кабину для четырех операторов, работать в которой они могли без кислородных масок на высоте до 11000м. На правом борту располагались входная дверь и три квадратных иллюминатора. Самолет имел станцию радиотехнической разведки, передатчик ответных помех, автоматический пеленгатор и РЛС бокового обзора, обтекатель антенны которой, установленный под фюзеляжем, стал характерным признаком данной модификации. Первый полет самолет совершил в декабре 1958 года, всего выпустили 24 машины. Ранние A3D-2Q строились с острыми носами, кормовой пушечной установкой и обтекателем антенны станции ее наведения на вершине киля. По мере совершенствования аппаратуры РЭБ ее антенны, ранее располагавшиеся на фюзеляже, удалось разместить внутри. Самолет имел увеличенную дальность полета и возможность дозаправки в воздухе.

Большой фюзеляж A3D идеально подходил для размещения топлива с необходимой аппаратурой для использования самолета в качестве топливозаправщика. Первым решением было создание специального комплекса для дозаправки топливом в полете, который мог устанавливаться на любой A3D-2, а в случае необходимости демонтироваться. Заправочный конус убирался в специальный обтекатель за бомбовым отсеком, там же монтировались лампы подсветки для ночных дозаправок. С 1959 года все A3D-2 могли оснащаться этим комплексом. Война во Вьетнаме потребовала увеличения количества палубных заправщиков и 85 бомбардировщиков были переделаны в воздушный танкер KA-3B. Встроенные топливные баки могли вместить 19025л, из которых 12681л можно было передать другим самолетам. Использовать этот заправщик в качестве бомбардировщика стало невозможно.

В августе 1964 года американские Вооруженные силы втянулись в войну во Вьетнаме. В боевых действиях приняли участие почти все варианты самолета Skywarrior. Первыми, еще до начала американских бомбардировок, к выполнению боевых заданий приступили разведчики RA-3B, которые привлекались для фотографирования северовьетнамских морских баз. Самолеты использовались днем и ночью для различных видов съемки, однако по мере развития конфликта эти разведчики задействовались все реже, оставаясь в тени более совершенных RA-5C.

Ударные бомбардировщики сначала производили бомбометание с горизонтального полета и больших высот, используя оптические и радиолокационные прицелы, заслужив репутацию лучших снайперов авиации флота. Позже удары наносились с пологого пикирования, а для прицеливания использовались метки на лобовом стекле. Бомбардировщик оказался плохо приспособлен для действий с малых высот, обладал недостаточной маневренностью и оказался весьма уязвимым.

До самого конца Вьетнамской войны использовались топливозаправщики KA-3B. Обычно они занимали позицию в 200-250км от берега и ожидали ударные машины, следовавшие на задание или обратно, чтобы обеспечить их топливом.

Одной из самых важных в небе Вьетнама стала работа самолетов РЭБ. EA-3B следовали вне боевых порядков и не входили в зону досягаемости вьетнамской ПВО. В целом ряде случаев американцам удалось серьезно затруднить работу РЛС противника, а также сорвать пуски ЗУР. Эти самолеты вели также электронную разведку, использовались в качестве ретрансляторов и, несмотря на наличие у флота более совершенного постановщика помех EA-6, продолжали выполнять боевые вылеты до конца конфликта. Участвовали эти самолеты и в операции "Буря в пустыне" в 1991 году.

Самолеты радиоэлектронной борьбы оказались настолько эффективными, что командование ВМС США приняло решение оснастить аппаратурой РЭБ часть самолетов КА-3В и RA-3B. В 1969 году 39 заправщиков были модернизированы в EKA-3B. Антенну РЛС бокового обзора разместили снизу фюзеляжа, аппаратуру РЭБ - в четырех внешних обтекателях по бортам, так как место внутри фюзеляжа было занято топливными баками. В ERA-3B были модифицированы 10 фоторазведчиков. Контейнеры с аппаратурой РЭБ установили на вершине киля и на пилонах под плоскостями. Отличительной особенностью самолета стала удлиненная хвостовая часть фюзеляжа, в которой разместили дополнительный запас топлива. Самолеты предназначались для дальней разведки, имели большую взлетную массу и могли использоваться только с базовых аэродромов. Самолеты РЭБ несли боевую службу вплоть до начала девяностых годов.

В конце пятидесятых годов было выпущено 12 самолетов TA-3B, которые предназначались для подготовки штурманов и операторов РЭБ. В герметизированном фюзеляже разместили рабочие места для шести курсантов и инструктора с индивидуальными индикаторами РЛС и другими приборами. На левом борту имелись четыре квадратных иллюминатора, на правом - три и входная дверь. Пять самолетов переделали из A3D-2Q в штабные VA-3B, которые использовались для перевозки высшего руководства флота.

Ни один из американских палубных самолетов не находился на вооружении так долго, как Douglas A-3. За 39 лет службы он сыграл заметную роль в истории ВМС США. Его создание послужило толчком к строительству суперавианосцев, он был самым тяжелым и многоцелевым самолетом, служившим на палубе. Всего выпущено 280 самолетов Skywarrior различных модификаций. На его базе для ВВС создали бомбардировщик B-66 Destroyer.