Der S-61 R ist eine weiterentwickelte Version des S-61 A und absolvierte seinen Erstflug am 17.6.1963. Der S-61 R bekam einen größeren Rumpf, eine Laderampe, aerodynamischere Stützschwimmer und langlebigere Rotorblätter. Das Hauptfahrwerk wurde nach hinten verlegt wobei er im Gegensatz zu seinen Vorgängern ein Bug- anstatt einem Heckfahrwerk erhielt.
Die erste Version, der CH-3 C, wurde von einer 1300 WPS starken Turbine angetrieben, wobei die Luftwaffe nach einigen ausgelieferten Exemplaren den stärkeren CH-53 E mit 1500 WPS orderte. Die bereits ausgelieferten Exemplare wurden daraufhin alle auf den E-Standard gebracht. Für den Einsatz im Vietnamkrieg wurden 50 CH-3 E zu HH-3 E aufgerüstet. Zur Ausrüstung gehörte eine Panzerung, leichte Bewaffnung, eine Seilwinde und eine Sonde zur Luftbetankung. Eine zivile Version ohne Panzerung jedoch mit Seilwinde ist der HH-3 F Pelican, der von der US Küstenwache verwendet wird.