Najpoważniejszymi zmianami w wersji trzeciej są: implementacja silnika Gecko 1.9, ujednolicenie i lepsza wydajność wyświetlania elementów graficznych przy użyciu biblioteki cairo. Firefox 3 jest pierwszą oficjalną wersją przeglądarki Mozilli, która w pełni przechodzi test Acid2. To również pierwsza oficjalna wersja nie działająca na systemach Windows 95, Windows 98, Windows NT i Windows Me, ze względu na brak wsparcia dla tych systemów ze strony Microsoftu. W wersji na komputery Mac, wymaganym systemem operacyjnym jest OS X 10.4 lub nowszy, w zamian umożliwiając lepszą integrację z własnym środowiskiem graficznym.
Z bardziej widocznych zmian, usprawniony został menedżer pobierania plików, z uwzględnieniem możliwości wyszukiwania w historii. Wtyczki i dodatki są w tej wersji zarządzane przez nowy menedżer dodatków. Drobnej modyfikacji poddany został również mechanizm zapamiętywania haseł – wyskakujące okienko, za pomocą którego użytkownik mógł wybrać, czy dane użyte do logowania mają być zapamiętane, zostało zamienione na pasek wyboru nie blokujący interakcji ze stroną.