VS-22 的 S-3B 在进行伙伴加油，在左翼下吊挂了 D-704 型伙伴加油吊舱，右翼下仍然携带一具副油箱
1977 年，洛克希德建议以 S-3 为基础发展一种电子侦察机型号，作为“战术机载信号采集系统”（TASES）。美国海军当时并没有采纳上述建议，时隔整整十年才要求洛克希德进一步研究上述概念的细节，并于 1989 年签订了将 16 架 S-3A 改装成 ES-3A“海上阴影”（Sea Shadow）的合同。改装工程包括拆除 S-3A 的声纳浮标投放器和分析显示设备，AN/APS-116 雷达被德州仪器的 AN/APS-137(V)1 雷达所替代。它是 AN/APS-116 的改进型，最显著的改进是增加了基线 4 的逆合成孔径雷达（ISAR）成像功能。逆合成孔径雷达利用目标的运动来大幅度提高雷达孔径范围，并提供粗略的雷达影响。ISAR 模式为 ES-3A 提供了有限的识别舰船级别的能力。OR-86 前视热象仪被德克萨斯仪器公司的 OR-263 前视热象仪所取代，性能提升不大但可靠得多。ES-3A 安装了大量电子侦察设备，S-3A 上的 AN/ALR-47 电子支援设备被替换成了 1 套改进后的 AN/ALR-76 系统，但机组人员发现该系统的作用并不大，多数时候还是首选人工操纵的 AN/ALR-81 电子支援设备。弹舱被用来容纳更多的电子设备，这点的改进思路与同样拥有内部弹舱的 F-111 改装成 EF-111 颇为相似。全机上下总共安装了 60 部天线。最明显的区别是背部安装了形如独木舟的整流罩，机身底部同样安装有突出的整流罩，用以容纳旋转测向系统。当然相应地，操作员工作站也完全不同，航空电子设备得到了全面升级，其中也包括正副驾驶位置。副驾驶位置的飞行控制设备被拆除，使其丧失了操纵飞行的能力，这一变化并不受空勤人员欢迎。
VQ-6 中队的 ES-3A，全机上下天线林立
YS-3A 157993 用于测试增加的天线对气动性能的影响
一架 YS-3A 原型机被用来对电子侦察组件的外部天线进行空气动力学测试。1991 年 5 月 15 日，ES-3A 的功能样机进行了首次试飞。“阴影”从 1993 年开始部署，次年交付工作完成。ES-3A 要比 S-3A 重得多，大量外置也增加了不少阻力，因此“阴影”的飞行速度要比“维京”慢，最大飞行速度下降了 10% 之多。在执行电子侦察任务时，“阴影”能够绘制敌方无线电辐射源的位置图，同时还能对敌方无线电通讯进行监听。ES-3A 和 S-3 一样，在必要时也能执行伙伴加油机的任务。ES-3A 服役生涯非常短暂，1998 年美国海军决定到 1999 年前退役所有 ES-3A，转而发展“联合机载电子侦察家族”（JASF），是陆海空三军联合研制的一种先进电子侦察组件。原理上，JASF 的出现意味着 ES-3A 将不得不接受升级，以便同他们保持一致，但这项开销花费过大，海军于是作出了退役的决定。JASF 项目结果并没有真正落实，而 ES-3A 此时已经失去了未来的资金支持，重新说服国会申请经费变得困难重重。
Dark Knight
1981 年，洛克希德获得了美国海军“武器系统改进项目”（WSIP）的合同，负责提升现有 S-3 航电和武器的运载能力。最早两架接受 WSIP 的 S-3B 被用于飞行评估，1984 年 11 月 13 日完成了改装后的首飞。正是改装开始于 1987 年初，并于当年 12 月投入现役。整个项目共改装了 119 架飞机，最后一架于 1994 年服役。S-3B 保留了 S-3A 的机身和引擎，两种型号具有相同的外部特征，具体改进包括：AN/APS-137(V)1 型雷达、AN/ALR-76 ESM 接收机、OR-263 前视热像仪。这些改进也被应用于 ES-3A“阴影”电子战飞机。
S-3B 原型机，翼下挂载“捕鲸叉”导弹
S-3B 安装了 1 部改进后的 AN/ARR-78 声纳浮标接收系统、1 部 AN/UYS-1“海神”（Proteus）音响信号处理机、1 部“联合战术情报数据链系统”（JTIDS）。以及 2 部 AN/ALE-39 型箔条-热焰弹抛射器，分别位于后机身两侧，各备有 30 枚干扰弹。为了能够发射 AGM-84A“捕鲸叉”反舰导弹，雷达系统业进行了相应的改进，能够为“捕鲸叉”提供目标指示在内的火控信息。其实早在 1975 年，S-3A 就已经进行了携带“捕鲸叉”的试验，但当时海军的装备采办经费有限，不能优先为 S-3A 配备“捕鲸叉”。部分 S-3B 后来还接受了携带 AGM-65F“幼畜”空地导弹的改装，使之能够使用红外导引头执行反舰任务。雷达的改进和携带“捕鲸叉”的能力大大提高了 S-3B 的反舰能力，能够在敌火力圈外的安全距离上实现目标定位。新传感器还提高了 S-3B 执行搜救人物的效率，这些都使 S-3B 真正成为一种多用途舰载机，而多用途特性对于战机种类有限的舰载机联队来说显然有其特殊价值。S-3B 上配备的新系统要比被替换的旧设备可靠得多，减少了维护费用并延长了维修间隔，从而大幅度提高了 S-3B 的实际出勤率。
按照 S-3B 标准进行升级的 ES-3A 称为 ES-3B
S-3B 在 1991 年的海湾战争中执行了广泛的任务。S-3B 执行了繁重的空中加油任务，甚至直接用于空袭，打击伊拉克雷达站、防空火力阵地、巡逻艇以及其它目标。一架“维京”轰炸了一艘巡逻艇和一座油库。S-3B 还被用于进行电子侦察（ELINT）平台，为其它作战平台指示目标，并投掷 TALD 滑翔诱饵以干扰伊拉克防空系统，展现了 S-3 平台巨大的任务弹性。“维京”还参与了巴尔干和阿富汗的战事，在这些任务中 S-3 已经完全脱离开了反潜任务。和平时期执行常规任务时，S-3B 有时混合携带多种载荷以执行多重任务：在弹舱内携带 2 枚常规炸弹和 2 枚自导鱼雷，一侧机翼下携带 1 枚“鱼叉”反舰导弹，另一侧则携带 1 具副油箱。
S-3B 发射 AGM-65F“幼畜”空地导弹