Si tienes que decidir entre los dos, New Vegas. ¿Por qué? Para empezar, bugs. En Fallout 3 hay infinidad de ellos, en New Vegas al menos la mayoría están arreglados >.<
Para seguir, la duración en sí, para ver todos los finales de Fallout 3, te basta con una partida. Para los de New Vegas no te va a quedar más narices que jugar varias veces, aunque guardes antes de la decisión crítica, te esperan unas 6 horas de misiones (dedicándote sólo a ellas) para terminar la trama principal de cada una de las 4 maneras que puedes hacerlas.
Después, el sistema de mejorar armas, que parece que no, pero le da vidilla.
Por último, si te decides a coger alguno, los DLC de New Vegas (con excepción del de La Divisoria, que aunque es argumentalmente el que más peso tiene y el final más espectacular, es el más corto, y Gun Runner's Arsenal que no es más que nuevo equipo y desafíos) son nuevos mapas, cada uno con un montón de misiones principales, secundarias y equipo por descubrir, además de lo divertido que resulta Old World Blues.
Yo después de haber reventado los dos, te recomiendo sin dudarlo New Vegas
-EDIT-
Y no nos olvidemos de los minijuegos, pocos, pero más entretenidos en New Vegas