석탑은 일반적인 신라 석탑과 다른 모습을 보인다. 잘 다듬은 지대석 위에 8개의 커다란 돌을 2단으로 쌓아 단층기단을 마련하였다. 기단 위에는 뚜껑 돌인 갑석이 없는 대신 높은 3단의 탑신 받침을 두었다. 1층 탑신에 비해 2층 탑신이 매우 작은 편이다.
이 석탑의 특징은 옥개석에서 드러나는데, 계단처럼 된 옥개석 받침은 물론이고 낙수면 역시 계단처럼 되어 있다. 이러한 옥개석의 모습은 전탑에서 볼 수 있는 것이다. 현재 상륜부는 노반만 올려져 있으나, 발굴 과정에서 찰주에 끼워진 보주도 확인되었다.
이 석탑은 흙으로 벽돌을 만들어 쌓는 일반적인 전탑과 달리 돌을 소재로 한 전탑이다. 이러한 탑을 흔히 모전석탑(模塼石塔)이라 부른다. 신라 모전석탑은 분황사 모전석탑이 가장 이른 시기의 것이다. 다만, 분황사 모전석탑은 돌을 벽돌로 다듬어 쌓은 것이라면, 이 삼층석탑은 기단과 옥개석의 형태 등 일부분에서만 전탑의 특징을 드러냈다는 것이 다르다.
그런데, 이 석탑과 같이 높은 1단의 석축식 기단, 삼층의 탑신, 전탑의 전형적인 옥개석 형식을 보이는 석탑들이 경주 일대에서 나타난다. 대표적인 예로 경주 서악동 삼층석탑, 경주 남산동 동 · 서 삼층석탑 중에 동탑이 있다. 이 두 탑은 대체로 9세기에 조성된 것으로 여겨져, 경주 남산 용장계 지곡 제3사지 삼층석탑도 비슷한 시기, 즉 9세기에 조성되었을 것으로 추측된다.
경주 일대에서만 확인되는 독특한 형식의 모전석탑으로 그 유례가 드물어 한국 석탑 연구에 있어 귀중한 자료가 될 뿐만 아니라, 원래의 위치를 유지하고 있어 경주 남산의 불사 양상을 보여줄 수 있는 자료가 된다. 2017년 4월 7일 보물로 지정되었다.