В истории создания этого самолета остается много непонятного. Самолет проектировался в ЦКБ авиазавода № 39 при участии конструкторов Поликарпова и Григоровича, однако никто конкретно не назван в качестве автора проекта. Коробка крыльев ДИ-3 могла складываться с поворотом назад: это позволяет предположить, что создавался он с учетом возможности его использования в качестве палубного истребителя. Во всяком случае, современник ДИ-3 -штурмовик ШОН (ЦКБ № 23) - имел складные крылья именно по этой причине.

Фюзеляж самолета выполнен в виде сварной фермы из стальных труб. Обшивка носовой части дюралевая, хвостовая часть фюзеляжа обшита полотном. На опытном экземпляре установлен двигатель БМВ-VIE со степенью сжатия 7,3, который вращал деревянный воздушный винт диаметром 3,1 м. Радиатор водяного охлаждения расположен под двигателем, имеет лобовые подвижные створки. Крылья деревянные, двухлонжеронные, складные, с поворотом назад. Обшивка полотняная. Элероны, горизонтальное хвостовое оперение и «шайбы» вертикального оперения выполнены из дюралюминия. Два топливных бака общей емкостью 240 литров (151 л + 89 л) размещены в фюзеляже.

Вооружение состояло из двух синхронных пулеметов ПВ-1 и двух пулеметов ДА на специальной турели ЦКБ. Особенностью самолета являлись размещенные снаружи вдоль бортов фюзеляжа длинные коробчатые кожухи, которые предназначались для магазинов с патронами задней пулеметной установки. Причиной такого решения стала не только необходимость увеличения боезапаса, но и стремление обеспечить более переднюю центровку полностью снаряженного самолета (центровка ДИ-3 составляла 34% САХ).

Сроки проектирования и постройки ДИ-3 оказались действительно ускоренными: уже весной 1931 г. самолет впервые поднялся в воздух. Государственные испытания в НИИ ВВС велись в период с 10 апреля по 12 июля 1931 г. Выяснилось, что самолет не удовлетворяет тактико-техническим требованиям как по максимальным скоростям на всех высотах, так и по скороподъемности, и вообще практически по всем летным характеристикам уступает самолету Д-2. В управлении ДИ-3 оказался строгой машиной, не позволял полет с брошенной ручкой. Оборонительная турель ЦКБ была признана неудачной.

В итоге ДИ-3 не рекомендовали к массовому производству, однако посчитали возможным построить небольшую серию для тренировки и обучения. В конечном счете серийное производство так и не было налажено; известно лишь, что позже опытный ДИ-3 был оборудован застекленной кабиной и использовался как связной самолет.