概要
シリンダーが3つ直列に並んでいるレシプロエンジンのこと。2020年代現在、二輪車での採用は限定的だが、軽自動車のような小排気量の四輪車では最も一般的なエンジンレイアウトである。
メリットは同じ排気量の直4エンジンと比較すると1気筒あたりの排気量が大きく、冷却・摩擦などによる損失が小さくなり、低回転でも高トルクを得られ低燃費化しやすくなること。また複雑なエキゾーストマニホールドが不要になるため、排気系を簡略化でき軽量化につながる。
デメリットは爆発回数の少なさに起因する騒音や振動、トルク変動である。最も特徴的なのは奇数気筒数ゆえの「みそすり運動」で、そのままだとエンジン全体が動いてしまうため、エンジンマウントの工夫をすることが必要となる。過去にはバランスシャフトなどを搭載して抑え込むことが行われていた。
直列4気筒と比べると高回転でのエキゾーストノートの雑味が目立ち、排気量が大きくなるにつれてメリットが薄れデメリットが目立つようになる。そのため高級車に採用されることはまずない。ちなみに直列2気筒と比較すると、これらのメリット・デメリットは反転する（直2の方が小排気量での燃費・コスト面で有利だが、雑味も増す）。
V6は仕組みとしては片バンクが直3となるため、振動の特性の一部を受け継いでいる。
二輪車の直3
二輪車では2気筒と4気筒の中間というややもすると中途半端な立ち位置から定期的に流行ったり廃れたりを繰り返しており、現在はトライアンフ、ヤマハ、MVアグスタのような特定のメーカーが盛んに作っている。MVアグスタは1960年代に直3でWGP（今のMotoGP）を席巻していたこともある。
四輪車の直3
四輪車では主に1,500cc以下の小排気量のガソリンエンジンに採用されている。四輪車の2気筒は非常にレア（先進国で買えるのはフィアット500くらいしかない）なため、事実上の最小気筒数である。軽自動車は、最後まで直4エンジン（4A30）を採用していたパジェロミニの廃版に伴い、全て直3となった。
2ストロークエンジンを得意としていた西ドイツのDKWは2ストローク3気筒エンジンを「4ストローク6気筒に比肩する」スムースなエンジンとして宣伝。自社の小型車に積極採用し、同じく2ストロークエンジンを得意としていたスウェーデンのサーブや日本のスズキに影響を与えたが、排ガス問題で1970年代までに姿を消した。
一方、4ストロークエンジン用の直列レイアウトとしては、メリットが薄い割に問題が多いとされ、長らく廃れていたが、1977年にダイハツがシャレードに搭載したCB型エンジンでリバイバル。バランサーを付けて直3特有の振動を低減する工夫を施したもので、オイルショック後のガソリン価格が高騰していた世相から大いに注目を集めた。スズキも対抗して軽自動車向け4ストローク直3のF5Aエンジンを世に送り出す。コストダウンと出力ロス低減のためにバランサーなしで騒音を低減する工夫を施しており、後の直3はダイハツも含めてこちらの形式が主流となった。ダイハツは1983年に直3ディーゼルエンジンのCL型を開発、当時としては驚異的な30km/L超えの燃費を誇ったが直3+ディーゼルの激しい振動と騒音はいかんともしがたく、これを逆手に取った「Rock’nディーゼル」のキャッチコピーで売り出していた。
その後、エンジンマウントの進歩などでネガな点が潰されていき、コスト削減と効率向上（熱効率向上とフリクションロスの軽減）の両立ができることから、BMWやメルセデス・ベンツといった欧州高級車ブランドや、GRヤリス/GRカローラのようなスポーツカーも積極的に直列3気筒をターボと併せて採用。エンジンのダウンサイジングと燃費向上のトレンドの中で、最も注目度の高いエンジンレイアウトとなっている。
