Однако вопрос вооружения танка ИС-2 не был закрыт полностью. Военных не устраивали ни низкая скорострельность, ни малый боекомплект — 28 выстрелов раздельного заряжания— нового тяжелого танка. Для сравнения: боекомплект ИС-1 состоял из 59 выстрелов, а КВ-1С— из 114. Кроме того, уже после первых столкновений ИС-2 с тяжелыми танками противника выяснилось, что штатный 122-мм остроголовый бронебойный снаряд БР-471 способен пробить лобовую броню "Пантеры" лишь с дистанции 600 — 700 м. Более слабая лобовая броня "Тигра" поражалась с расстояния 1200 м, но попасть с такой дистанции в немецкий танк могли только хорошо подготовленные опытные наводчики. При обстреле немецких танков мощными осколочно-фугасными гранатами ОФ-471 у ИС-2 имело место растрескивание сварных швов и даже отрыв лобового листа по сварке. Первые результаты боевого их использования, подтвердившиеся, кстати сказать, и стрельбовыми испытаниями танка на полигоне в Кубинке в январе 1944 года, заставили конструкторов искать новые решения.
27 декабря 1943 года вышло постановление ГКО Ns 4851 о вооружении танка ИС пушками большой мощности, и с февраля 1944 года началось проектирование трех машин —ИС-3, ИС-4 и ИС-5 (не путать с одноименными послевоенными танками).
Танк ИС-3 (объект 244) представлял собой-танк ИС-1 с установленной вместо штатного орудия пушкой большой мощности Д-5Т-85БМ с начальной скоростью снаряда 900 м/с. Монтаж пушки никаких переделок за собой не повлек, поскольку все установочные размеры остались прежними. На объекте 244 испытывался новый ломающийся телескопический прицел ПТ-8, а также ряд опытных узлов двигателя и трансмиссии, в частности — синхронизаторы 3 — 4-й и 7 — 8-й передач, которые позволяли сократить время на их переключение и облегчали управление машиной. Испытания 244-го продолжались до конца марта 1944 года и закончились неудачей по причине недостаточной прочности ствола орудия.
Тяжелый танк ИС-122 (объект 240). Вверху: во дворе завода № 100; внизу: на полигонных испытаниях, ноябрь 1943 года.
Танки ИС-4 и ИС-5 более известны под своим первоначальным индексом ИС-100. Решение ГКО предусматривало изготовление только одного танка, вооруженного 100-мм орудием С-34 ЦАКБ с баллистикой морской пушки Б-34. Однако установка такого орудия требовала перекомпоновки боевого отделения и отливки новой башни, что не слишком понравилось ни танкостроителям, ни военным. В этот момент свою 100-мм пушку для ИСа предложило ОКБ завода № 9. Как и 85-мм Д- 5Т, новое орудие, получившее индекс Д-10Т, было разработано на базе самоходной пушки того же калибра. В отличие от С-34 оно устанавливалось в штатную башню без особых переделок. С 12 марта по 6 апреля 1944 года танк ИС-4 (объект 245) проходил государственные полигонные испытания, которые он не выдержал и был возвращен на завод для доработки полуавтоматики пушки и некоторых других элементов. В результате на танк установили пушку Д-10Т с новой полуавтоматикой, более мощный вентилятор боевого отделения, изменили наклон боеукладки в нише башни и т.д. Пушка имела начальную скорость снаряда 900 м/с. В боекомплект входили 30 унитарных выстрелов с бронебойными и осколочно-фугасными снарядами массой 15,6 кг.