По проекту самолет с двигателем АМ-37 мощностью 1400 л.с. имел сухую массу 2077,5 кг и взлетную массу 2648,5 кг. Максимальная скорость у земли составляла 531 км/ч, на высоте 2000 м - 572 км/ч, на высоте 5000 м - 622 км/ ч, на высоте 6000 м - 645 км/ч, на высоте 7000 м - 670 км/ч, на высоте 8000 м -660 км/ч. Высоту 2000 м самолет набирал за 1,6 мин, 5000 м - за 4,6 мин, 6000 мин - за 5,7 мин, 7000 м - за 6,8 мин, и 8000 м- за 8,4 мин. Дальность действия при максимальной скорости составляла 514 км, при скорости, равной 0,9 от максимума, - 784 км без подвесных баков. С подвесными баками дальность действия составляла 725 и 1100 км, соответственно. Посадочная скорость равнялась 127 км/ч.
Поскольку работы над двигателем АМ-37 задерживались, на прототипы поставили двигатель АМ-35А стартовой мощностью 1350 л.с. и рабочей мощностью 1200 л.с. С этим двигателем самолет получил заводское обозначение «изделие 61», тогда как самолет с двигателем АМ-37 обозначили как «изделие 63».
Первый прототип И-200 планировалось собрать к 15 апреля, но уже 30 марта 1940 года самолет доставили на Ходынку под Москвой. На следующий день начались наземные испытания самолета, которыми руководили А.Г. Брунов и А.Т. Карев. В испытаниях участвовали главный летчик-испытатель завода № 1 Аркадий Екатов, представитель армии полковник М.И. Марцелюк и инспектор ВВС майор М.Н. Якушин.
4 апреля Екатов разогнал самолет на взлетной полосе и совершил подлет. На следующий день Екатов совершил уже 15-минутный полет. Но уже 6 апреля произошла авария. По-видимому, самолет загорелся в воздухе. Самолет получил значительные повреждения, которые удалось устранить лишь к 22 апреля.
На следующий день Екатов в пикирующем полете развил скорость 600 км/ ч, но при посадке повредил шасси. 24 мая испытания максимальной скорости повторились. На высоте 6900 м Екатов разогнал самолет до 648,5 км/ч при номинальной мощности двигателя. Скороподъемность машины также оказалась неплохой. Высоту 5000 м прототип набрал за 5,1 мин, а 7000 м - за 7,15 мин. Характеристики самолета лишь незначительно отличались от расчетных, но прототип не нес вооружения. Кроме того, на нем стоял только один масло-радиатор, смонтированный на левом боку. В отличие от серийных машин воздухозаборник маслорадиатора закрывала подвижная створка.
Передняя часть фюзеляжа второго прототипа. Видны выхлопные патрубки и один из двух маслорадиаторов.
25 мая на И-200 № 1 совершил 20 минутный полет Степан Супрун, недавно вернувшийся из Китая. Супрун составил восторженный отчет с рекомендацией к серийному производству. Еще до конца дня появился приказ Комитета Обороны № 224, а 31 мая появился приказ НКАП № 245. Оба они предписывали заводу № 1 до конца года выпустить 125 новых самолетов, одновременно свернув выпуск истребителей ББ-22. Таким образом, решение о серийном выпуске самолета приняли еще до завершения заводских испытаний, не говоря уже об испытаниях государственных.
Прототип И-200 № 2 завершили к 25 апреля, а первый полет на нем Якушин совершил 9 мая. Спустя три дня произошла первая поломка наддува. К 10 июня неисправность устранили, но новый полет принес новые технические проблемы. На этот раз неисправность удалось устранить к утру следующего дня.
5 августа Якушин развил на И-200 № 2 максимальную скорость 651 км/ч на высоте 7000 м при номинальной мощности двигателя. При максимальных оборотах скорость регистрировали только на высотах 2220 м - 579 км/ч и на 3630 м - 605 км/ч.
Третий прототип И-200 № 3 начал наземные испытания 13 мая. Он был первым из прототипов, получившим вооружение: 2 пулемета ШКАС калибра 7,62 мм и 1 пулемет УБ калибра 12,7 мм. Наземные испытания вооружения проводились при работающем двигателе. Сборку планера самолета завершили к 1 июня. Первый полет прототип совершил 6 июня, пилотировал самолет Марцелюк. И-200 № 3 в отличие от первых прототипов имел цельнометаллическое крыло (деревянным оставался лишь центроплан). Вместо осветительных устройств НГ-12 на самолет установили посадочный огонь ФС-155 в левом крыле.
Испытания вооружения перенесли на 20 июня, для чего самолет перевели на полигон в Ногинск. Здесь провели детальное испытание бомбодержателей в горизонтальном и пикирующем полете. Одновременно тестировалось устройство ЗАО-6, начиненное белым фосфором, и выливной авиационный прибор ВАП-6М, предназначенный для распыления ОВ.
Также на И-200 № 3 испытывали ракетное вооружение. Еще на этапе проекта для И-200 предусматривали установку десяти направляющих РО-82 для ракет РОС-82 (ракетный осколочный, калибра 82 мм) модель 0156.