В 1951 году была проведена вторая модернизация танка Т-54. Машина получила литую башню полусферической формы без обратных скосов и кормовой ниши, с улучшенным уплотнением погона. Была улучшена защита от попадания пыли цапф артсистемы; погонов башни, турелей, командирской башенки; маски пушки, прицела и пулеметов, выключателей и тумблеров. На нижнем лобовом листе корпуса появились узлы крепления каткового минного трала. Заменили оборудование для постановки дымовых завес — вместо двух шашек МДШ установили две более мощные БДШ-5.

В связи с изменением кормовой части башни пушку вместе с прицелом сдвинули вперед на 15 мм, а крышу башни с командирской башенкой — назад на 20 мм. Сиденье командира подняли на 40 мм, а сиденье наводчика сместили назад на 22 мм. Внесли изменения в конструкцию командирской башенки. Для увеличения рабочего места заряжающего один выстрел из ниши башни перенесли на ее правой борт.

С 1952 по 1955 год в конструкцию танка было внесено несколько десятков изменений. Так, например, в 1952 году в системе охлаждения был введен дюралюминиевый вентилятор вместо стального, в системе смазки — масляный фильтр «Кимаф-СТЗ». Были внедрены чехлы и уплотнения амбразуры пушки и шариковых опор башни и командирской башенки, прицела и пулеметов СГМТ. В 1953 году в состав боекомплекта ввели выстрел УБР-412Д с бронебойно-трассирующим снарядом улучшенной бронепробиваемости БР-412Д (с бронебойным и баллистическим наконечниками).

В том же году (начиная с 1 января) все крепежные детали стали подвергаться антикоррозийной обработке. Была введена блокировка силового привода поворота башни ЭПБ-4 в зависимости от положения крышки люка механика-водителя (при открытом люке вращение башни с помощью электропривода блокировалось), в форсуночном подогревателе котел дымогарного типа заменили новым жаротрубным кольцевым котлом, наконец, внешняя окраска танка стала производиться защитной нитропентафилевой краской НПФ-10 вместо масляной краски 4БО. В 1954 году был введен 18-лопастный вентилятор вместо 24-лопастного, заменены контрольно-измерительные приборы. С июля боекомплект зенитного пулемета ДШК был увеличен до 500 патронов, а число ручных гранат уменьшилось до 20 шт. Резиновые прокладки, упоры люков, шланги системы охлаждения стали изготавливать из морозостойкой резины, ввели бакелитирование внутренней и внешней поверхностей воздухоочистителя и внутренней поверхности топливных баков. В 1955 году ввели инфракрасный прибор ночного видения механика-водителя ТВН-1, прицел ТШ2А-22 и т. д.

Серийное производство Т-54 обр. 1951 г. началось в ноябре 1951 года и продолжалось вплоть до конца мая 1955 года. За время производства было изготовлено 7009 танков Т-54 обр. 1951 г. На его базе выпускался командирский танк Т-54К, оснащенный дополнительной радиостанцией, навигационной аппаратурой и зарядным устройством, из-за чего пришлось несколько уменьшить боекомплект пушки.

Запуском в серийное производство Т-54-3 завершился процесс создания и отработки конструкции «пятьдесятчетверки», продолжавшийся шесть лет. Машина наконец-то приобрела свой законченный, классический вид. В этот период произошли и серьезные кадровые изменения в руководстве отдела № 520 — КБ завода № 183. В октябре 1951 года А.А. Морозов был назначен главным конструктором КБ-60М завода № 75 в Харькове. Временно исполняющим его обязанности назначили А.В. Колесникова, одновременно возглавлявшего обслуживание серийного производства и модернизацию танка Т-54. Такая ситуация продолжалась до начала марта 1953 года, когда главным конструктором завода № 183 в Нижнем Тагиле был назначен Л.Н. Карцев. Первой крупной модернизацией танка Т-54, проведенной под его руководством, стала установка стабилизатора вооружения.