Este trabajo utiliza datos empíricos de tráfico recopilados en tres ubicaciones en Europa y los Estados Unidos para revelar un diagrama fundamental de tres fases con dos fases ubicadas en el régimen no congestionado. Se aplican análisis de agrupamiento basados en modelos, pruebas de hipótesis y análisis de regresión a la relación velocidad-flujo-ocupación representada en el espacio tridimensional para validar rigurosamente las tres fases e identificar sus brechas. El hallazgo es consistente en las mencionadas ubicaciones geográficas diferentes. En consecuencia, proponemos un modelo de flujo de tráfico macroscópico de tres fases y una caracterización de soluciones a los problemas de Riemann. Este trabajo identifica estructuras críticas en el diagrama fundamental que suelen ser ignoradas en modelos de primer y mayor orden y que podrían impactar significativamente en la estimación del tiempo de viaje en autopistas.