El Camino Real de Valencia fue uno de los cuatro itinerarios principales contemplados en el Real Decreto de 10 de junio de 1761. Efectuados los correspondientes reconocimientos, y habida cuenta de la facilidad que ofrecía el trazado por La Mancha, el itinerario finalmente aprobado discurrió, siguiendo el Camino Real de Andalucía hasta la localidad de Ocaña,  por La Roda, Albacete y los Altos de Almansa. Simultáneamente a las obras del camino real, el marqués de Vanmarcke, subdelegado del superintendente general de Correos y Postas, propuso, en 1776, la habilitación del itinerario, más directo, que discurría por Arganda y Tarancón en Madrid, Saelices y Motilla del Palancar en Cuenca, y Utiel y Requena en Valencia. Era la ruta seguida por la posta, y ahorraba 10 leguas respecto al Camino Real. 

La respuesta a aquella y otras demandas similares no fue efectiva hasta 1825, cuando Fernando VII dio por buena la solicitud presentada por Luis Alejandro de Bassecourt, Capitán General de Valencia. El reconocimiento y proyecto de la carretera recayó enPedro Cortijo, y en 1834 el Gobierno aprobó el trazado por Saelices, La Almarcha, Honrubia, Motilla del Palancar y Villargordo. 

Las obras avanzaron a buen ritmo, y mediando la década de los años cuarenta la carretera estaba prácticamente concluida entre Madrid y Saelices y Requena y Valencia. El proyecto de la sección de Saelices a Requena fue encomendado a Lucio del Valle, y quedó aprobado en 1845. En el tramo, que quedó habilitado en 1852, el trazado discurría por Minglanilla, el paso de Contreras y Villargordo del Cabriel. Con objeto de salvar las fuertes pendientes del puerto manteniendo una rasante adecuada para el tránsito de vehículos (en el proyecto se había fijado un máximo del 9%), Valle dispuso alineaciones curvas en zigzag, y tramos en desmonte o a media ladera, apoyados en muros de sostenimiento de altura considerable. En las alineaciones curvas, que no se peraltaron, sustituyó los pretiles y guardarruedas por un pretil continuo que cerraba la plataforma. 

Las condiciones orográficas exigieron, asimismo, la construcción de numerosos pontones, alcantarillas y tajeas. El paso del Cabriel, para el que Valle proyectó un puente colgante que finalmente desechó, quedó resuelto mediante un puente de fábrica de siete arcos (uno central de mayor luz, y tres laterales a cada uno de los lados), y pilas muy esbeltas. En los extremos del tramo, los pasos por las poblaciones se efectuaban por travesías perimetrales. 

El tramo no sufrió alteraciones a lo largo de la segunda mitad del siglo XIX, y en 1926 la carretera de primer orden de Madrid a Castellón por Valencia se incorporó al Circuito Nacional de Firmes Especiales. Por lo que respecta al tramo, las obras de mejora afectaron al firme, la sección transversal y la señalización: se extendió un riego bituminoso, se peraltaron las alineaciones curvas y se instalaron postes kilométricos y el poste de límite de provincia. Fue, también, durante la década de los treinta cuando, en paralelo, se planteó la construcción de una variante que permitiera evitar el paso por el puerto. 

Finalizada la Guerra Civil, y atendiendo al cambio en el sistema de nomenclatura de la red dispuesto en el Plan de Caminos 1939/1941, la carretera pasó a denominarse Nacional III. Quedó después incluida en los itinerarios que conformaron el Plan de Modernización, y a lo largo de la segunda mitad de la década de los años cincuenta se construyó la variante de Minglanilla. 

Poco antes, en 1951, se había aprobado el proyecto para la construcción del embalse de Contreras. Las obras se iniciaron en 1958, y comportaron la construcción de las presas de El Collado y Contreras. El proyecto había contemplado la definición de una variante que, aprovechando en parte la iniciada en la década de los años cuarenta, permitiera evitar el paso por el puerto dirigiendo el nuevo trazado por la coronación de las presas.

Avanzadas ya las obras, la variante se incorporó al programa REDIA. Tenía su origen en el pk 232+300 de la N-III, y el paso por las presas obligó a construir dos túneles para salvar el cerro del Castillo y las estribaciones de Las Mulatillas. Concluía, tras pasar al sur de Villargordo del Cabriel, en el pk 243+200 de la actual N-III. La longitud total dela variante era de 11,3 km, y contaba con dos tramos con un tercer carril para vehículos lentos. Entró en servicio en diciembre de 1969. 

Ya en la década de los años ochenta, y una vez evaluado el corredor, el Programa de Autovías del Plan General de Carreteras 1984/91 contempló la construcción de la Autovía de Levante, que conectaría Madrid con Valencia y Alicante por Albacete y Almansa, y la Autovía Utiel-Valencia. No fue hasta 1994 cuando, en el marco del Plan de Actuaciones Prioritarias en Carreteras (PAPCA, 1993), se programó la construcción del tramo de autovía Atalaya de Cañavate-Utiel, que permitirían completar la A-3. El tramo que entrañó mayor
dificultad fue el correspondiente al puerto de Contreras, y las alternativas de trazado presentadas por el MOPTMA encontraron una fuerte contestación en diversas asociaciones ecologistas, ayuntamientos, partidos políticos y el propio Gobierno de Castilla-La Mancha, que denunció su impacto ambiental y se apresuró a declarar la Reserva Natural de las Hoces del Cabriel en octubre de 1995. Tras un intenso debate, que concluyó con el convenio firmado por el Ministro de Fomento y el Presidente de la Comunidad Autónoma de Castilla-La Mancha en junio de 1996, se optó por derivar el trazado de la autovía al norte de la Nacional III mediante un túnel y tres grandes viaductos. El tramo entró en servicio en diciembre de 1998.