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.