Параллельно с разработкой чертежей серийной самоходной установки СУ-122 еще в январе 1943 года начались работы над ее кардинальным усовершенствованием. В процессе этих работ было установлено, что лучшим решением является установка гаубицы в рубке САУ не на тумбе, а в маске. Крепление орудия к лобовому листу корпуса значительно увеличивало полезный объем боевого отделения. Добиться большей компактности артсистемы можно было уменьшением длины отката пушки с 1100 до 600 мм, т.е. требовалось создать новое орудие, специально приспособленное для самоходной артиллерийской установки. Разработку и производство пушки взял на себя завод №9. В апреле 1943 года была изготовлена опытная САУ СУ-122М с новым орудием Д-11. Ее конструкция имела ряд преимуществ по сравнению с СУ-122. Боевое отделение увеличилось за счет расширения стенок до габаритов гусеницы на 50 мм. Гаубица Д-11 устанавливалась вместе с люлькой в раму, вращавшуюся в цапфах и прикрепленную только к лобовому листу без связи с днищем и бортами. Орудие было самоуравновешено в цапфах и устанавливалось со смещением назад, что улучшало условия работы передних опорных катков ходовой части. Для более эффективной стрельбы прямой наводкой был установлен телескопический прицел.

Государственные испытания СУ-122М стрельбой проводились с 18 по 23 июня 1943 года на полигоне под Нижним Тагилом. Было произведено 329 выстрелов. Ходовые испытания проходили на трассах Свердловск - Нижний Тагил и Свердловск - Челябинск, на которых было пройдено 858 км. Государственная комиссия признала необходимым внести в конструкцию некоторые изменения для ее дальнейшего улучшения, но в общей оценке вынесла заключение, что самоходка может быть принята на вооружение самоходных артиллерийских частей Красной Армии.

Все замечания комиссии были реализованы на новом опытном образце САУ СУ-122III, вооруженным 122-мм гаубицей Д-6 завода №9. В конце июля - начале августа эта машина вместе с тремя опытными образцами самоходок, вооруженных 85-мм пушками, проходила испытания на Гороховецком полигоне. В ходе испытаний у гаубицы Д-6 выявились существенные недостатки, и СУ-122III была снята с испытаний.