Tuy nhiên, trong đêm Chung kết 3, các thí sinh đã phải cùng lúc tương trợ và phối hợp cả về kỹ thuật lẫn cảm xúc với đồng đội, cũng là đối thủ của mình để mang đến những tiết mục song ca ấn tượng, chinh phục các giám khảo: Ý Lan, Phi Nhung, Minh Đức cùng “ông hoàng nhạc Việt” Đàm Vĩnh Hưng. Trở lại vị trí giám khảo luân phiên của chương trình, Đàm Vĩnh Hưng cho biết trong đêm thi này, anh “đặt cược” vào thí sinh có được cả 2 yếu tố thanh, sắc cùng với sự nhạy bén trên sân khấu, sự tìm hiểu nội dung bài hát kỹ càng, biết đặt mình vào nhân vật trong bài hát để khi diễn với bạn diễn, tương tác với khán giả không bị lúng túng, tay chân thừa thãi… Riêng nữ danh ca Ý Lan cho biết, đến vòng thi này, thí sinh tạo ấn tượng tốt với chị phải là “thí sinh cho Ý Lan thấy được họ đang sẵn sàng trở thành một ca sĩ chuyên nghiệp”. Với chủ đề “Tuyệt phẩm song ca”,  12 thí sinh được chia thành 6 cặp ngẫu nhiên và thể hiện những ca khúc nổi tiếng, đi cùng năm tháng. Dự thi đầu tiên là cặp đôi Trần Thị Tố My và Nguyễn Ngọc Sơn với ca khúc Sông quê của nhạc sĩ Đynh Trầm Ca. Ca khúc từng được thể hiện rất thành công bởi 2 giám khảo Phi Nhung và Thái Châu. Tuy có phần áp lực, song cặp đôi “mỹ nam ngọc nữ” Tố My, Ngọc Sơn đã mang đến một tiết mục tròn trĩnh và đầy tình tự. Với dòng máu cải lương của gia đình, Ngọc Sơn đã thể hiện được cái chất chân phương, bình dị của một chàng trai miền Tây. Trong khi đó, Tố My cũng thể hiện được giọng hát mượt mà, ngọt ngào, dẫu vậy theo Đàm Vĩnh Hưng thì Tố My cần “nhà quê” và “đơn giản” hơn để thể hiện được đúng chất của bài hát. Với ca khúc này, Tố My nhận được 37 điểm, Ngọc Sơn được 36,5 điểm. Tuy nhiên, do trong 12 thí sinh có đến 7 thí sinh là nam, Dương Minh Ngọc và Mai Trần Lâm là cặp đôi nam phải hát song ca với nhau. Đây là điều hoàn toàn không đơn giản cả về kỹ thuật lẫn biểu đạt cảm xúc. Cả hai chọn khúc Thói Đời và Trong Tầm Mắt Đời của nhạc sĩ Trúc Phương và Tú Nhi để thể hiện và đây là một sự lựa chọn thông minh với tình cảnh “éo le” của cả hai. Với phần thi này, Dương Minh Ngọc nhận được 38,5 điểm, Mai Trần Lâm nhậnđược 38 điểm. Một cặp đôi khá thú vị trong đêm thi tối qua là tiểu sơn ca Trần Thiên Vũ và giọng ngân tuyệt vời đến từ  Hà thành Tuấn Hoàng với ca khúc “Về đâu mái tóc người thương” của nhạc sĩ Hoài Linh – Song Ngọc. Với ca khúc này, Tuấn Hoàng nhận được 38,5 điểm, Thiên Vũ nhận được 39,5 điểm (trong đó điểm của Đàm Vĩnh Hưng là 10). Với số điểm cao gần tuyệt đối này, Thiên Vũ lại một lần nữa hứng chịu nhiều bình luận ác ý của khán giả trên mạng khi cho rằng các giám khảo có phần ưu ái cho em. Thí sinh Nguyễn Thị Anh Đào và Hoàng Minh Viễn dự thi với ca khúc “Lâu đài tình ái” của nhạc sĩ Trần Thiện Thanh. Cả hai xuất hiện khá tình cảm trong không gian lãng mạn, với ca khúc trắng tinh khôi. Số điểm mà Ban Giám khảo dành cho Minh Viễn là 39 điểm, Anh Đào là 36,5 điểm. Chàng lính Đỗ Hải Hường và cô giáo Nguyễn Thị Thúy Huyền đã có đêm thi rất thành công với ca khúc Tình nghèo của nhạc sĩ Phạm Duy. Đây là một ca khúc điển hình đặc sắc của âm hưởng dân ca Bắc bộ, ngũ cung của âm nhạc dân tộc được chiết lọc và xử lí tinh tế không tì vết trong cấu tứ học thuật Tây phương. Điểm số của các giám khảo dành cho Nguyễn Thị Thúy Huyền là 40 điểm, Đỗ Hải Hường là 39,5 điểm. Nguyễn Văn Sĩ – anh thợ xây chỉ hát theo bản năng – có màn song ca khá thú vị cùng Nguyễn Thị Thu Hằng – thí sinh có đến 12 năm theo học thanh nhạc. Cả hai thể hiện ca khúc Nếu chúng mình cách trở của nhạc sĩ Tú Nhi. Các Giám khảo đã dành cho Nguyễn Văn Sĩ 38,5 điểm và Nguyễn Thị Thu Hằng 39,5 điểm. Kết thúc vòng thi đầu tiên, 4 thí sinh có số điểm thấp hơn phải vào vòng sing-off là Nguyễn Ngọc Sơn, Trần Thị Tố My, Nguyễn Thị Anh Đào và Mai Trần Lâm. Thể lệ của vòng thi sing-off là mỗi thí sinh dự thi với một ca khúc tự chọn để giành 2 chiếc vé vào vòng trong, trong đó một chiếc được quyết định bởi Ban Giám khảo và một chiếc được quyết định bởi chính 8 thí sinh của tốp an toàn. Và 2 thí sinh được chọn tiếp vào vòng trong là Nguyễn Thị Anh Đào (thí sinh an toàn chọn) với ca khúc Ai khổ vì ai và Trần Thị Tố My với ca khúc Không giờ rồi (BGK chọn). Như vậy, 2 thí sinh phải tạm chia tay với chương trình là Nguyễn Ngọc Sơn và Mai Trần Lâm. Đêm Chung kết 4 gồm sẽ được phát sóng vào lúc 21h thứ Sáu, ngày 18/12 trên kênh THVL1, với sự tranh tài của 10 thí sinh: Trần Thiên Vũ, Tuấn Hoàng, Nguyễn Thị Thúy Huyền, Đỗ Hải Hường, Dương Minh Ngọc, Nguyễn Thị Anh Đào, Trần Thị Tố My và Nguyễn Văn Sĩ.