В начале тридцатых годов компания Grumman была лидеров в производстве истребителей-бипланов для палубной авиации. Недостаточная устойчивость и плохие посадочные характеристики самолетов F2F привели к разработке нового истребителя, получившего обозначение F3F. Новый самолет сохранил двигатель Pratt Whitney R-1820-72, но фюзеляж стал длиннее на 0,56м, а размах крыльев увеличился более чем на метр. Диаметр колес основного шасси был уменьшен. Кроме этого, были сделаны некоторые аэродинамические усовершенствования. Состав вооружения не изменился: два синхронных 7,62-мм пулемета Browning.

Впервые самолет поднял в воздух летчик Джимми Коллинз 20 марта 1935 года, а двумя днями позже он погиб, когда при выходе из пикирования отвалились крылья и двигатель. В том испытательном полете перегрузка составила 9g, превысив расчетную. Поэтому второй опытный самолет был построен с усиленным креплением крыла и моторной рамы.

Второй прототип взлетел 9 мая 1935 года, но уже 17 мая в ходе испытаний самолет вошел в плоский штопор и пилот был вынужден воспользоваться парашютом. На третьем прототипе увеличили площадь руля направления и установили еще два небольшой подфюзеляжный киль.

Всего было заказано 54 серийных истребителя F3F-1, которые были приняты на вооружение в 1936 году. Они отличались от прототипа двигателем Pratt Whitney R-1820-84 с двухлопастным воздушным винтом изменяемого шага. Вместо правого 7,62-мм пулемета установили пулемет калибра 12,7мм. В ходе эксплуатации самолетов произошло несколько несчастных случаев, связанных с разрушением узлов крепления верхнего крыла или элеронов. Компания была вынуждена ограничить максимальную перегрузку истребителя до шестикратной.

После принятия на вооружение моноплана Brewster F2A Buffalo бипланы F3F начали переводить в учебные подразделения и летные школы. Но работы над новым истребителем Grumman F4F шли медленно и в качестве временной меры руководство фирмы предложило военным модифицировать F3F, установив на него 865-сильный двигатель Wright R1820-G5 Cyclone c трехлопастным винтом. В варианте F3F-2 был построен 81 самолет, но их эксплуатация была приостановлена из-за проблем с карбюратором и маслорадиатором. После доработки и установки нового маслорадиатора увеличенного размера, самолеты F3F-2 летали в боевых частях до осени 1941 года. Под крылом самолеты могли нести две 50-кг бомбы.

В связи с нехваткой современных истребителей были построено еше 27 машин в варианте F3F-3 с небольшими изменениями планера для уменьшения лобового сопротивления и переделанными обтекателем двигателя. После 1941 года самолеты F3F использовались в учебно-тренировочных подразделениях.