Этим же приказом заводу №1 предписывалось с 15 декабря 1940 г. приступить к выпуску улучшенной модификации И-200.
В связи с этим на четвертом опытном экземпляре истребителя И-200 в сжатые сроки были проведены работы по увеличению запаса топлива, и уже 21 октября 1940 г. самолет передали на заводские испытания. Для увеличения дальности полета в фюзеляже под кабиной пилота установили дополнительный протектированный топливный бак емкостью 250 л, при этом для сохранения эксплуатационной центровки двигатель АМ-35А вынесли вперед на 100 мм за счет удлинения моторамы.
Кроме этого, на И-200 №04 провели следующие конструктивные улучшения с целью устранения недостатков и замечаний, отмеченных на государственных испытаниях И-200:
повышена боковая устойчивость за счет увеличения поперечного V крыла до +6°;
установлен пластинчатый водорадиатор ОП-310, который несколько сдвинули вперед из-за установки дополнительного топливного бака;
в связи с возросшей массой самолета установлены колеса размером 650x200;
для улучшения проходимости нижние щитки, закрывающие при уборке колеса основных стоек шасси, перенесены на центроплан;
запротектированы центропланные баки.
Первый вылет И-200 №04 состоялся 29 октября 1940 г., самолет пилотировал летчик-испытатель А.Н.Екатов. В конце ноября было принято решение отправить истребитель на юг для проведения совместных с НИИ ВВС испытаний. Между тем полным ходом разворачивалось внедрение новой модификации в серию, и уже 20 декабря МиГ-3 (Официально название МиГ-3 улучшенный истребитель И-200 (с машины №2101) получил в соответствии с приказом НКАП №704 от 9 декабря 1940 г.) полностью сменил МиГ-1 в серийном производстве. До конца года завод №1 им. Авиахима выпустил 20 самолетов МиГ-3. Приказом НКАП №702 от 9 декабря 1940 г. была установлена программа выпуска истребителей МиГ-3 на 1941 г. В соответствии с ней завод должен был обеспечить выпуск 3500 самолетов.
Характер боевых действий начавшейся Великой Отечественной войны определил и характер войны в воздухе. На советско-германском фронте на протяжении всей войны воздушные бои велись в основном на высотах до 4 км. Таким образом, большая высотность МиГ-З. которая вначале считалась несомненным его достоинством, стала недостатком, поскольку ряд особенностей высотного мотора достигался за счет ухудшения летных качеств на небольшой высоте. Кроме того, качество серийного изготовления МиГа в начале войны было не на должном уровне, что дополнительно снижало его характеристики. МиГ-З обладал неважными пилотажными качествами и требовал высокой (по меркам военного времени) квалификации летчиков. Короткий фюзеляж истребителя (как у И-16 и последующего И-180) приводил к недостаточной продольной устойчивости. В то время считалось, что маневренный истребитель должен быть неустойчив.
Для улучшения устойчивости и безопасности полета с 10 мая 1941 года МиГ-3 выпускали с уменьшенным до 140 л задним фюзеляжным баком. Проведенные 21 мая на заводе №1 испытания серийной машины с пятью огневыми точками показали, что дальность полета с учетом подъема и планирования составила 940 км. Несколькими днями раньше в НИИ ВВС оценили пилотажные качества самолета МиГ-3 №2859 с уменьшенным запасом горючего. По мнению военных, техника пилотирования на взлете, виражах и на посадке заметно упростились. Также уменьшилась длина разбега и несколько улучшилась устойчивость самолета при наборе высоты. На вираже МиГ-3 также стал устойчивее, а время виража уменьшилось на 2-3 с.
С 10 июля в серию были внедрены автоматические предкрылки, благодаря которым заметно улучшились штопорные характеристики. Кроме того, во второй половине 1941 г. самолеты МиГ-3 получили мотор АМ-35А с редукцией 0,732 (вместо 0,902) и винт АВ-5Л-123 с диапазоном поворота лопастей 30° (вместо ВИШ-22Е), козырек фонаря с бронестеклом, подвесные топливные баки и систему заполнения топливных баков нейтральным газом. Также были внедрены в серии элероны с увеличенной до 26% компенсацией и горизонтальное оперение с распределением площадей - 63% - стабилизатор и 37% - руль высоты. Все эти мероприятия также позволили улучшить летные и эксплуатационные характеристики истребителя МиГ-3, а также повысить его живучесть.
Слабым оказалось и вооружение истребителя. Правда, несмотря на свои недостатки, в руках инициативных и тактически грамотных летчиков МиГ-З показал себя весьма сильной боевой машиной. Примеров тому немало. Так, известный советский ас А.И. Покрышкин сбил на МиГ-З десять вражеских самолетов, в том числе пять истребителей Мессершмитт Bf-109E. Но все же в условиях массовой эксплуатации и небольших высот применения МиГ-З не обладал достаточной боеспособностью и по многим показателям уступал Bf-109F.
Вооружение Основной вариант - пулемет УБС калибра 12,7-мм (300 патроновв) и два пулемета ШКАС калибра 7,62-мм (по 375 патронов). На некоторых сериях в подкрыльевые обтекатели дополнительно устанавливались два 12,7-мм пулемета УБК или два УБС над мотором. Однако вооружение было явно недостаточным. На нескольких машинах с АМ-38 устанавливались две синхронные 20-мм пушки ШВАК (по 100 снарядов). Была выпущена небольшая серия.
Трудности военного времени в обеспечении моторами штурмовиков Ил-2 заставили отказаться от выпуска АМ-35А в пользу АМ- 38. необходимого для Ил-2. Это окончательно решило судьбу МиГ- 3. Производство его прекратили в начале 1942 г., а всего в 1940-1942 г.г. силами серийного завода №1 и опытного завода №155 было построено 3172 истребителя этого типа.
Хотя МиГ-З выпускался сравнительно недолго, он оставил заметный след в истории минувшей войны. Особенно велика роль этого истребителя в битве под Москвой в отражении налетов немецкой авиации в 1941 г. После прекращения производства МиГ-З еще долго использовался в ВВС, в частности, в полках ПВО. Высокая степень унификации и ремонтопригодности самолетов обеспечила им после прекращения серийного выпуска долгий срок службы. Техсостав авиационных частей ВВС и ВМФ из двух-трех поврежденных МиГ-3 умудрялся собрать один боеспособный. Последние МиГ-3 были списаны по износу в самом конце войны.
МиГ-3 (И-200 №04, изд. 61) Улучшенная модификация скоростного истребителя И-200 с мотором АМ-35А. 
