Sau khi MiG-3 được đưa ra bảo vệ tại hội đồng nghiệm thu cấp nhà nước, nó được đưa vào sản xuất ngày 20-12-1940. Từ tháng 3-1941, mỗi ngày lại có 10 chiếc được sản xuất. Quá trình sản xuất không thể diễn ra chậm trễ trước những nhu cầu trang bị để có thể sánh ngang với loại máy bay trinh sát Junkers Ju 86 của Đức ở tầng cao khi sự thù địch giữa Đức và Liên bang Xô viết đang diễn ra một cánh gay gắt.

Trước chiến dịch Barbarossa của quân Đức, hơn 1.200 chiếc MiG-3 đã được cung cấp tới các đơn vị.

Trong quá trình thử nghiệm máy bay vẫn còn những nhược điểm của MiG-1 như khối lượng lớn và mức tiêu thụ nhiên liệu quá lớn, Mikoyan và Gurevich đã hứa sẽ khắc phục những nhược điểm này. Mikoyan và Gurevich đã sắp xếp hơn 2 chuyến bay giữa Leningrad và Moskva để chứng tỏ MiG-3 có khả năng bay xa 1000 km.

Tuy nhiên điều này đã không được khắc phục, MiG-3 vẫn gặp các vấn đề trong suốt quá trình triển khai thử nghiệm. Vài mẫu MiG-3 được sản xuất đã không thể đáp ứng độ cao do áp lực của nhiên liệu. Các phi công đã cố gắng điều khiển những chiếc MiG-3 gặp vấn đề. Ngay sau đó một loại nhiên liệu mới được đưa vào sử dụng đã khắc phục những vấn đề đó, việc điều khiển huấn luyện dễ dàng hơn đã giúp các phi công dần quen với MiG-3.

Trong 2 năm sau đó, MiG-3 đã được thêm một số vũ khí như súng máy gắn trên và pháo ShVAK.

Do diều kiện chiến tranh với quân Đức, MiG-3 đã phải đóng vai trò là máy bay cường kích (tấn công mặt đất), nhưng nó nhanh chóng bộc lộ nhiều yếu kém, và nó mất dần vai trò. Yếu kém chính của nó là động cơ AM-35 chỉ giúp MiG-3 hoạt động tốt ở tầng cao, nó mất ưu thế ở tầm thấp và tầm trung, nơi diễn ra nhiều cuộc không chiến ở mặt trận Xô-Đức. Súng và trọng tải bom của nó quá yếu khi làm nhiệm vụ cường kích trong khi rocket RS-82 thiếu sự chính xác. Sự quên lãng của MiG-3 bị gián đoạn khi động cơ AM-35 được thay thế bởi AM-38, vốn được trang bị cho Ilyushin Il-2 Shturmovik loại máy bay nổi tiếng trong chiến tranh thế giới thứ II.

Trong suốt chiến tranh, Mikoyan và Gurevich vẫn tiếp tục phát triển MiG-3 để tăng thêm trần bay, những mẫu cải tiến với sức mạnh lớn hơn được gọi với tên từ I-220 đến I-225 (Điểm khỏi đầu cho một số nhầm lẫn khi tên gọi MiG-7 được dùng để chỉ những mẫu máy bay cải tiến của MiG-3). Cuộc chiến trên không với Đức đã chứng minh rằng thời hoàng kim của động cơ pit-tông đã qua, và không một mẫu sản xuất nào có thể làm lại lịch sử như nó.

Một số mẫu thiết kế đã thử lắp động cơ mới vào, với động cơ mới là một thiết kế sáng tạo AM-37. Mẫu thử nghiệm này được gọi là MiG-7, nhưng với sự dừng sản xuất động cơ AM-37, đề án đã phải dừng lại. Mùa xuân năm 1942, những chiếc MiG-3 được bị rút khỏi các phi đội phòng thủ ở chiến trường. Trong cố gắng lắp máy mới lần cuối với động cơ đốt trong Shvetsov ASh-82 để giúp cho MiG-3 lấy lại niềm tin, những động cơ tương tự đã được sử dụng để tạo ra mẫu máy bay Lavochkin La-5 từ LaGG-3. Mẫu đầu tiên được gọi với tên I-210 và I-211, những kết quả thử nghiệm đã thành công đủ để những mẫu cải tiến sau này hiệu quả hơn với tên gọi MiG-9. Tuy nhiên, mẫu La-5 đã được sản xuất và mẫu I-211 không được hoàn thiện hơn để đưa vào phục vụ không quân. Một số chiếc MiG-9 được thử nghiệm với động cơ Pratt & Whitney R-2800-63 của Hoa Kỳ.

2 mẫu thử nghiệm cuối cùng là I-230 và I-231, được phát triển trên nguồn gốc của MiG-3, được sử dụng loại động cơ lớn hơn, nhưng chúng không được không quân Xô viết để ý đến.