Решение СНК, касающееся радиуса действия новых истребителей, появилось 2 октября 1940 года. Для одномоторных самолетов определили минимальную дальность полета в 1000 км при 0,9 от максимальной скорости, а для двухмоторных самолетов в 2000 км при 0,8 от максимальной скорости. Дополнительное топливо должно было находиться во внутренних баках, так как предусматривалась возможность сопровождения новых скоростных бомбардировщиков, которых еще пока не было. Также, крейсерская скорость истребителей была не столь высока, а полеты на столь дальние расстояния случались нечасто. Гораздо практичнее в таких ситуациях было использовать подвесные топливные баки, тем более, что опыт использования подвесных баков у советских летчиков уже имелся.

В тот же день 2 ноября появился приказ НКАП № 521, который предписывал установить внутренние топливные баки на всех выпускаемых самолетах и прототипах. Кроме Микояна, этому требованию подчинился Лавочкин, который поставил дополнительные баки на свою машину. Яковлев ставить баки отказался.

В соответствии с директивой НКАП завод № 1 с 15 декабря должен был выпускать модернизированный вариант И-200. Прототипом для него стал И-200 № 4. Этот самолет получил самогерметизирующийся фюзеляжный бак емкостью 250 л, установленный под кабиной пилота.

Поскольку бак частично выступал за силуэт фюзеляжа, пришлось значительно удлинить обтекатель радиатора, чтобы он охватывал и бак. Дополнительную нагрузку в хвостовой части фюзеляжа компенсировали, сдвинув двигатель на 100 мм вперед за счет удлинения моторамы.

МиГ-3, брошенный на аэродроме в Ковно.

Одновременно в конструкцию самолета внесли еще ряд изменений, оговоренных еще в ходе государственных испытаний:

- увеличено положительное поперечное V крыла с 5º до 6º градусов, что улучшило поперечную устойчивость самолета.

- установлен плиточный радиатор ОП-310, смещенный вперед.

- для компенсации возросшей массы самолета установили колеса главного шасси 650x200 мм.

- изменена конструкция створок колесной ниши. Створка на стойке шасси состояла из трех частей, добавлена створка под фюзеляжем.

- фюзеляжные топливные баки получили самогерметизирующиеся стенки.

Самолет И-200 № 4 передали на заводские испытания 21 октября 1940 года. Первый полет на прототипе совершил А.Н. Екатов 29 октября. В конце ноября самолет отправили в Крым, где более теплый климат позволял продолжать испытания в удобных условиях. Испытания проводились при участии сотрудников НИИ ВВС, выделенных для проведения войсковых испытаний И-200. Заводской коллектив возглавлял А.Т. Карев, коллектив НИИ ВВС - П.С. Никитченко.

Одновременно в Москве разворачивался выпуск нового типа самолета. С 20 декабря МиГ-3 полностью вытеснил МиГа-1. До конца года успели собрать 20 новых самолетов. Другие источники сообщают только об 11 машинах.

Приказ НКАП № 702 от 9 декабря 1940 года определял, что в 1941 году завод № 1 должен построить 3500 МиГов. Одновременно планировалось развернуть выпуск самолетов этого типа на киевском заводе № 43, о чем свидетельствует приказ НКАП № 709 от 10 декабря. План на 1941 год предусматривал выпуск здесь сотни МиГов. Предусматривалась возможность развертывание выпуска МиГ-3 на заводе № 21 в Горьком, но от этого намерения вскоре отказались, та как там разместили выпуск ЛаГГов-3.

Испытания четвертого прототипа прервали в марте 1941 года, поскольку одновременно с 27 января по 26 февраля шли государственные испытания двух раннесерийных самолетов (2107 и 2115), построенных в декабре 1940 года.

Эти испытания имели целью сравнить характеристики МиГ-1 и МиГ-3. Оценивались летные качества, условия пилотажа, а также устранение отмеченных прежде дефектов. Программа испытания также преследовала цель определить устойчивость серийных самолетов, их поведение в штопоре, а также испытание вооружения и оборудования.

Пилотировали серийные самолеты капитан А.Г. Прошаков и военный инженер 2-го класса А.Г. Кочетков.

Внесенные изменения в конструкцию привели к росту массы самолета: с 3099 кг для МиГа-1 до 3355 для МиГа-3. Это почти не сказалось на скоростных качествах самолета. МиГ-3 развивал 640 км/ч на высоте 7800 м. Но ухудшилась скороподъемность. Высоту 8000 м самолет набирал на 1,71 мин дольше. При этом на самолетах стояли улучшенные винты ВИШ-61Ш.

Пилотажные качества самолета практически не изменились. Запас устойчивости при положении ручки «от себя» в горизонтальном полете оставался как на МиГ-1, а при наборе высоты даже уменьшился. В штопоре «тройка» вела себя как «единица» - после двух витков самолет можно было легко перевести в горизонтальный полет. Фигуры высшего пилотажа оба самолета выполняли одинаково, с той разницей, что из-за возросшей массы у МиГа-3 ощущалась большая нагрузка на ручке, которая приводила к более раннему утомлению пилота.

Испытания вооружения на обоих МиГах прошли без проблем. Все случаи заклинивания оружия объяснялись попаданием бракованного выстрела. Выбрасыватели гильз и звеньев лент работали без проблем. Пневматическое устройство перезарядки также не вызвало никаких нареканий. Также безотказно отработали программу и бомбодержатели.

И на «единицу» и на «тройку» ставили одну и ту же радиостанцию РСИ-3 радиусом действия 150 км, большим, чем у радиостанции на И-200. Наибольшие нарекания в ходе испытаний обеих версий МиГа вызвал пропеллер ВИШ-22Е, малоподходящий к двигателю АМ-35А. Винт имел ограниченный диапазон переключения шага - только 20º (от 24º до 44º), что не позволяло полностью использовать мощность двигателя и ограничивало допустимый угол пикирования. Уже при пикировании под углом 50гр-60гр винт начинал крутиться быстрее, чем вал двигателя, что могло привести к выходу двигателя из строя. Хотя завод № 1 получил указание ставить на самолеты новые винты, вплоть до июля 1941 года самолеты комплектовались винтом ВИШ-22Е.

Летчики-испытатели также жаловались на недостаточную эластичность двигателя. Случалось, что при резком форсаже двигатель глох.

Главным пунктом программы испытаний МиГа-3 были полеты на максимальной высоте. Длина трассы составляла 710 км, перелет производился на высоте 7800 м. При максимальных оборотах двигателя 1950 об./мин самолет летел со скоростью 0,9 от максимальной, то есть 574 км/ч. Двигатель АМ-35А, изготовленный московским заводом № 24, не был оснащен высотным корректором, оптимизирующим расход топлива, так как по инструкции, корректор следовало применять на высотах более 8000 м.

Немецкий солдат в кабине МиГа-3.

Первым полетел самолет № 2115. При приземлении в баках самолета оставалось 84 кг, в том числе 34 кг мертвого объема. Из залитых 463 кг бензина израсходовалось 379 кг. С учетом оставшихся 50 кг дальность самолета составила 820 км. Перелет состоялся 22 февраля 1941 года.

Самолет № 2107 совершил свой первый перелет 17 марта. Перелет совершался на той же высоте и с той же скоростью, но при режиме двигателя 1859 об./мин. На следующий день самолет отправился в полет по тому же маршруту, что и № 2115. Из 463 кг бензина осталось 90 кг, в том числе 26 кг мертвого объема. При пересчете оставшегося бензина дальностью полета составила 875 км. До требуемых 1000 км не хватало 180 или 143 км.

Одной из причин нехватки дальности полета был перерасход топлива двигателем, который превышал паспортный на 10-15%. Свой вклад вносила и ошибка в конструкции топливных баков, из-за которой возникал мертвый объем, который невозможно было использовать в полете.

Авиация требовала от изготовителя довести дальность полета истребителя до положенных 1000 км. Изготовитель всячески пытался отвертеться. В письме от 4 апреля 1941 года главный конструктор А.И. Микоян и его заместитель М.И. Гуревич подчеркнули свою позицию. 463 кг топлива при расходе 0,460 кг/км должно хватить на 1010 км. При этом нормы расхода приняты увеличенными, учитывая реальные условия эксплуатации. В ходе испытаний в Крыму на новом двигателе был показан расход 0,380 кг/км. Самолеты, участвовавшие в испытаниях, оснащались двигателями, уже значительно выработавшими свой ресурс (ресурс двигателя АМ-35А составлял только 50 ч), а сами испытания проводили зимой, в условиях центральной полосы. В результате расход вырос до 0,480 кг/км. Не использовалось и высотного корректора.