Sebanyak 12 tim yang lolos dari babak kedua (8 juara grup ditambah 4 runner-up grup terbaik) dibagi dalam 2 grup (masing-masing 6 tim) untuk bertanding round-robin kandang-tandang. Juara dan runner-up grup akan lolos ke putaran final di Rusia, sedangkan 2 tim peringkat 3 dari masing-masing grup akan melaju ke babak keempat.
Pengundian grup untuk babak ketiga dilaksanakan pada tanggal 12 April 2016, pukul 15.30 WIB, bertempat di Hotel Mandarin Oriental, Kuala Lumpur, Malaysia.[2][3]
Pengundian didasarkan pada peringkat dunia FIFA April 2016.[4] Ke-12 tim di-seeded ke dalam 6 pot:[5]
Pot 1 berisikan tim berperingkat 1–2.
Pot 2 berisikan tim berperingkat 3–4.
Pot 3 berisikan tim berperingkat 5–6.
Pot 4 berisikan tim berperingkat 7–8.
Pot 5 berisikan tim berperingkat 9–10.
Pot 6 berisikan tim berperingkat 11–12.
Setiap grup akan berisi 1 tim dari masing-masing pot.
^ abcdeSuriah memainkan pertandingan kandang di luar Suriah untuk alasan keamanan imbas dari perang sipil di Suriah.
^Pertandingan antara Syria v Iran pada pukul 20:00 waktu setempat tapi ditunda 45 menit karena hujan lebat.[6]
^ abcdeIrak memainkan pertandingan kandang di Iran untuk alasan keamanan imbas dari perang sipil di Irak. Khusus saat melawan Arab Saudi, dilangsungkan di Malaysia.[7]
^"FIFA/Coca-Cola World Ranking – April 2016 (AFC)". FIFA.com (dalam bahasa bahasa Inggris). Fédération Internationale de Football Association. 7 April 2016. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2016-04-19. Diakses tanggal 7 April 2016.Pemeliharaan CS1: Bahasa yang tidak diketahui (link)