W 1971 roku Warszawa i Moskwa zawarły porozumienie w ramach Rady Wzajemnej Pomocy Gospodarczej dotyczące opracowania nowej maszyny transportowej. Prace projektowe powierzono zakładom PZL Świdnik, które współpracowały z biurem konstrukcyjnym Michaiła Mila. Wymagania techniczne określiła strona radziecka. Oficjalny początek prac datuje się na rok 1972, kiedy delegacja ze Świdnika udała się do Moskwy. Oczekiwania radzieckiego lotnictwa wojskowego koncentrowały się na powiększonej wersji Mi-2 o lepszych osiągach, natomiast lotnictwo cywilne domagało się śmigłowca wielozadaniowego o ładowności do półtorej tony i zdolności przewozu trzynastu pasażerów. Ostatecznie udało się pogodzić rozbieżne wymagania. Głównym projektantem został inżynier Stanisław Kamiński.
Pierwsza koncepcja przewidywała powiększoną wersję Mi-2 pod oznaczeniem Mi-3, jednak doświadczenia ze wcześniejszych prób wykazały konieczność opracowania całkowicie nowej konstrukcji. W 1974 roku zatwierdzono projekt wstępny śmigłowca, który otrzymał oznaczenie W-3. Rok później zaakceptowano pełną wersję projektu, obejmującą płatowiec, układ napędowy i wyposażenie. W 1977 roku śmigłowiec oficjalnie nazwano W-3 Sokół.