Съобразявайки се със стратегията за развитие на транспортната мрежа на София, заложена в Общия устройствен план (ОУП), нуждите на града и факта, че основните участъци на Линия 1 (жк Обеля – жк Младост в посока Младост 4 и Летище София) и Линия 2 ( жк Обеля – кв. Лозенец– Хладилника) са в експлоатация, следващият етап от развитието на метрото в София е изграждането на Линия 3 – „бул. Ботевградско шосе – бул. Владимир Вазов – Център – жк Овча купел”. Трасето на линията се основава на Протокол № ЕС-Г-87 от проведеното на 28.10.2011 г. заседание на Общинския експертен съвет по устройство на територията (ОЕСУТ) за избор на трасе на Линия 3 и Протокол № ЕС-Г-91 от проведеното на 19.12.2012 г. заседание на Общинския експертен съвет по устройство на територията (ОЕСУТ) за актуализация на трасето в ж.к. Овча купел.
Съгласно одобреното трасе Линия 3 е с дължина 21 км и 21 метростанции. В одобреното трасе са предвидени перспективни отклонения на линията. Първото, предвидено за изпълнение поради големия пътникопоток, е отклонението в източната част на линията при МС 7 в района на Военна акадения и е в посока жк Слатина-бул. Цариградско шосе.
Взимайки предвид големия мащаб на проекта, предвижданите различни методи на строителство, спецификите на отделните участъци и ограничения финансов ресурс се предвижда Линия 3 да бъде изградена на 4 етапа:
Първи етап (реализиран в периода 2016 - 2020 г.) е участъкът от км.4+300 – МС 5 (намираща се в началото на бул. Владимир Вазов на кръстовището с ул. Панайот Хитов) до км.11+966,34 – след МС 14 (разположена на ул. Житница в близост до кръстовището с бул. Цар Борис ІІІ).
Това е основният централен участък на линия 3. Предвид сложните геоложки и хидроложки условия на строителство и преминаване непосредствено под р. Перловска и големи канализационни колектори (тунели), тунелните участъци в по-голямата част от трасето на етапа са изпълнени предимно по единствено приложимия в тези условия метод с Тунелопробивна машина (ТПМ). Етапът включва доставката на 20 метровлака, необходими за експлоатацията на участъците на Етап 1 и Етап 2 на Линия 3 и изграждането на депо в района на ул."Житница".
Втори етап (западен участък, в процес на изграждане от 2017 г.), включва 4 метростанции и започва от края на подземния участък при км.11+966,34 след МС 14, преминава през кв."Овча купел" и достига до км.15+746,37 – МС 18, която е разположена под Околовръстното шосе (бул."Бойчо Бойчев") между ул."Централна" и ж.п. линията София – Перник. При МС 18, като част от проекта, e изградена жп спирка за връзка с националната жп мрежа. Участъкът e подземен.
Трети етап е участъкът от км.4+300 – начало на МС 5 (намираща се под бул. Владимир Вазов на кръстовището с ул. Панайот Хитов), до км.1+300 – МС 2 (в ж.к. Левски), е с дължина 3 км и 3 метростанции. Този участъщ ще бъде предложен за строителство при наличие на средства за финансиране.
МС 1, която е разположена на бул. Ботевградско шосе, непосредствено до колелото на трамвайната линия, е планирана за самостоятелно изграждане във връзка с предвидена автогара в района на трамвайната линия на бул. Ботевградско шосе.
Четвърти етап - участъкът започва от входа на Военна академия на бул. Евлоги и Христо Георгиеви. Преминава през кв. Гео Милев, ж.к. Слатина, покрай "Арена Армеец" до бул. Цариградско шосе. Той е с дължина 6 км и 6 метростанции. Изготвен е идеен проект за участъка, а изграждането му се предвижда да се предложи за финансиране през програмния период 2021 - 2027 г.
Съгласно одобрената Оперативна програма „Транспорт и транспортна инфраструктура” 2014-2020 г. първите два етапа на проекта за изграждане на Линия 3 на метрото в София „бул. Ботевградско шосе - бул. Владимир Вазов - ЦГЧ - ж.к. Овча купел” са включени за финансиране по Приоритетна ос 3 „Подобряване на интермодалността при превоза на пътници и товари и развитие на устойчив градски транспорт”, Подприоритет 2 „Подобряване на интермодалността при превоза на пътници”. В тази връзка и предвид осигуреното финансиране към момента се изпълняват само първите два етапа:
ЕТАП I на Линия 3 - участък от БУЛ. "ВЛАДИМИР ВАЗОВ" – ЦЕНТРАЛНА ГРАДСКА ЧАСТ – УЛ. ЖИТНИЦА”
Етапът включваше изграждането 7,8 км. метролинии, 8 метростанции, изграждането на депо в района на ул."Житница" и доставката на 20 метровлака за експлоатацията на участъците от Етап I и Етап II на Линия 3.
Финансирането е осигурено след одобрението на Формуляр за кандидатстване за предоставяне на безвъзмездна финансова помощ от ЕФРР на ЕС с Решение ОПТТИ - 1/2016 от 08.01.2016г. на Министъра на МТИТС и Ръководител на УО на ОПТТИ и подписването на Договор за предоставяне на БФП ДОПТТИ – 1/19.01.2016г. Проектът е одобрен от ЕК с Решение за изпълнение на комисията С(2016) 2315 final от 26.04.2016г.
Участъкът е въведен в експлоатация на 26.08.2020 г.
ЕТАП II на Линия 3 - участък „УЛ. ЖИТНИЦА – ЖК ОВЧА КУПЕЛ – ОКОЛОВРЪСТЕН ПЪТ”
Етапът включва изграждането на 3,8 км. метролинии, 4 метростанции и жп спирка за връзка с националната жп мрежа при последната метростанция.
Проектът се изпълнява от 30.05.2017 г. Към м. август 2020 г. строителството е приключило и започват единични и комплексни изпитания, които се очаква да приключат в края на 2020 г.
Общо Етап 1 и Етап 2 от проекта за изграждане на третата метролиния на софийското метро са на стойност 498 милиона евро. От тях 338 милиона евро са безвъзмездно финансиране от Европейския фонд за регионално развитие, а 160 млн. са местно съфинансиране.