В октябре 1940 года было принято Постановление СНК об увеличении дальности полета всех внедряемых в серийное производство и вновь проектируемых истребителей. В соответствии с этим для одномоторных машин устанавливалась дальность равная 1000км на скорости соответствующей 0,9 максимальной, а для двухмоторных истребителей сопровождения - не менее 2000км на скорости 0,8 максимальной. 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 года самолет передали на заводские испытания. Для увеличения дальности полета в фюзеляже под кабиной пилота установили дополнительный протектированный топливный бак емкостью 250л, при этом для сохранения эксплуатационной центровки двигатель АМ-35А вынесли вперед на 100мм за счет удлинения моторамы.

Улучшенный истребитель И-200 получил официальное наименование МиГ-3 и полностью сменил МиГ-1 в серийном производстве.

В результате всех проведенных доработок полетная масса самолета возросла с 3100кг до 3355кг, что не могло не сказаться отрицательно на его летных данных. Техника выполнения фигур высшего пилотажа практически не отличалась от таковой на МиГ-1, однако, большие нагрузки на элероны и недостаточная устойчивость, приводящая во время пилотажа к большим перегрузкам, быстро утомляли летчика.

Как показало время, стремление повысить дальность полета истребителей до 1000км стало для последних весьма ненужным мероприятием, так как масса самолетов возросла, и, естественно, снизились их летные и пилотажные характеристики. С этим столкнулись создатели и МиГ-3, и ЛаГГ-3, стремясь выполнить указание свыше. На серийном истребителе Як-1 подобные работы не производились, поэтому его летные и пилотажные характеристики не пострадали.

Для улучшения устойчивости и безопасности полета с мая 1941 года истребители МиГ-3 выпускали с уменьшенным до 140л задним фюзеляжным баком. Техника пилотирования на взлете, виражах и на посадке заметно упростились, уменьшилась длина разбега и несколько улучшилась устойчивость самолета при наборе высоты, на вираже самолет стал устойчивее, а время виража уменьшилось на 2-3 секунды.

В целях повышения эффективности боевого применения истребителя МиГ-3 было испытано несколько вариантов вооружения: два пулемета БС и два ШКАС; два БС и один ШКАС; два БС; две пушки ШВАК. Однако начавшаяся война и последующая эвакуация не позволила усилить вооружение МиГа в 1941 году.

К концу 1941 года ВВС располагали тремя типами истребителей, а штурмовиков явно не хватало. Учитывая острую нехватку двигателей АМ-38 для шутрмовиков Ил-2, было принято решение перевести завод, собиравший моторы АМ-35А, на выпуск моторов АМ-38, а от производства истребителя МиГ-3 пришлось отказаться. Весной 1942 года собрали еще три десятка самолетов МиГ-3, вооруженных двумя пушками ШВАК. Высокая степень унификации и ремонтопригодности самолетов обеспечила им после прекращения серийного выпуска долгий срок службы. Последние МиГ-3 были списаны по износу в самом конце войны.

Весной 1941 года была сделана попытка доработать самолет под двигатель АМ-37 мощностью 1400л.с. Летные испытания выявили ряд недостатков самолета, получившего обозначение МиГ-7. Однако двигатель АМ-37 был снят с производства и испытания истребителя МиГ-7 остались незавершенными.

Летом 1941 года для обеспечения лучших летных характеристик истребителя МиГ-3 на малых высотах, на машине был установлен двигатель АМ-38. В виду большей мощности мотора АМ-38 и более низкой границы высотности по сравнению с мотором АМ-35А, самолет показал значительно лучшие летные данные до высоты 4000м, особенно по максимальным скоростям. Полностью завершить испытания не удалось, но из-за нехватки двигателей АМ-35А в некоторых частях ВВС самостоятельно производили установку моторов АМ-38 на самолеты МиГ-3.

В 1942 году на самолет МиГ-3 установили радиальный двигатель М-82 мощностью 1700л.с. Доработанная машина получила обозначение МиГ-9 (И-210). Однако его характеристики оказались значительно хуже, чем у истребителя Ла-5 с тем же двигателем и работы над самолетом МиГ-9 были остановлены.

В 1943 году была выпущена улучшенная модификация И-230 или МиГ-3У. Был выполнен коренной пересмотр конструкции самолета МиГ-3 с точки зрения уменьшения веса и улучшения его летных данных. Проведенные мероприятия позволили улучшить аэродинамику и технологичность конструкции, а также снизить на 150кг массу самолета. Вооружение истребителя состояло из двух синхронных 20-мм пушек ШВАК. На истребителе устанавливался двигатель АМ-35А. Запас топлива размещался в одном мягком баке емкостью 440л, который находился в фюзеляже перед кабиной пилота. По мнению военных испытателей и летчиков облета, пилотажные характеристики истребителя И-230 были на хорошем уровне, за исключением посадки, которая осталась сложной. Кабина пилота стала удобней и по своей компоновке была близка к стандартной. Основным недостатком самолета было выбивание масла через уплотнение вала редуктора, особенно при полетах выше границы высотности. Это явление наблюдалось во всех полетах, при этом машина возвращалась на аэродром с фюзеляжем, залитым маслом от носа до хвоста. По заключению военных истребитель МиГ-3У мог быть рекомендован для использования в частях ВВС только после устранения всех основных дефектов. В боевые части поступило только несколько самолетов этой модификации.

Осенью 1943 года на И-230 был установлен двигатель АМ-39А. Емкость фюзеляжного топливного бака увеличили до 500л. Испытания И-231 начались в октябре. Однако 5 ноября из-за разрушения нагнетателя летчик Савкин в исключительно трудных условиях совершил вынужденную посадку. Полеты возобновились в ноябре после ремонта и установки нового мотора. На испытаниях истребителя И-231 была достигнута максимальная скорость полета 707км/ч на высоте 7100м.

В феврале 1944 года самолет поступил на госиспытания, но в марте потерпел аварию, а потом вышел из строя мотор. Получение нового мотора АМ-39 затянулось, и вскоре работы по самолету были прекращены.