Douglas X-З представляет собой моноплан обычной схемы с нормальным оперением. Крыло самолёта прямое, трапециевидное. Профиль крыла ромбовидный. Площадь крыла без подфюзеляжной части составляет 9,3—10,2 м². На крыле имеются обычные элероны, щелевые закрылки, опускающиеся носки и перегородки для предотвращения стекания пограничного слоя. Для подвески элеронов и носков установлены наружные узлы, в связи с чем под крылом имеются длинные обтекатели. В связи с большими нагрузками (порядка 1000 кг/м²) крыло было изготовлено из титана и имеет сплошное сечение (за вычетом каналов для проводок управления). Фюзеляж самолёта отличается весьма большим удлинением (длина его втрое больше размаха крыла) и заострённым носом, который переходит в низкий фонарь с острыми гранями. В угоду хорошему обтеканию пришлось поступиться удобствами лётчика, который сидит в слегка наклоненном положении с левой стороны кабины. Оперение самолёта обычное: киль небольшой площади имеет руль направления, горизонтальное оперение целиком поворотное. Все органы управления, очевидно, снабжены необратимыми гидроусилителями. Возможно, что имеется демпфер рыскания. По бокам фюзеляжа размещаются два ТРД Вестингауз J-34-17 с форсажной камерой, между которыми установлен топливный бак. Воздухозаборники помещены в верхней части фюзеляжа, непосредственно за кабиной. Выхлопные сопла выходят под фюзеляжем сзади крыла. Самолёт Х-3 являлся, в сущности, летающей аэродинамической лабораторией, и поэтому на нём было установлено большое количество испытательного и экспериментального оборудования, специально разработанного NACA. В фюзеляже размещено около 550 кг экспериментального оборудования, на поверхностях самолёта имеется 850 дренажных отверстий для замера давления, 185 электротензометров измеряют воздушные нагрузки и напряжения, в 150 точках замеряются и регистрируются температуры на обшивке.