I-200 第 4 号机，MiG-3 的原型机
截止到 1941 年 1 月，第一飞机厂已经制造出 150 架米格-3 战斗机，而在 1940 年第四季度，该厂一共生产了 100 架米格-1 和 20 架米格-3（米格-1 从第 100 架开始被称为米格-3，而其结构则在生产中不断地进行改进。）到 1941 年 3 月 28 日，苏联军方共接收 473 架米格-3，其中 270 架装备空军部队，工厂存放 200 架，还有三架坠毁。很多试飞员认为双翼飞机飞行员很难适应高速的米格-3 的飞行特点，他们很容易进入螺旋。试飞员古洛斯基曾经在日记中写道：“在 4 天的飞行当中，我进行了 7 次紧急迫降，其中有两次我差点就见了上帝。”对于有丰富经验的试飞员尚且如此，那么对于普通飞行员来说操纵米格-3 的难度就可想而知了。1941 年春天成了苏联空军的事故高峰期，并且大部分事故都与米格战斗机有关。然而伴随着事故的增加，飞行员们也逐渐掌握了驾驶这种飞机的技巧。
按照惯例，最先进的飞机首先要装备驻扎在莫斯科附近的苏联空军最精锐部队，1941 年 2 月，一批米格-3 被移交给了第 16 战斗机团。到 1941 年 4 月，米格-3 的产量已经达到 9 架/天，但是这些飞机的速度比原型机慢了 30 千米/小时。最令人头疼的是苏联航空工业部领导不断要求第一飞机厂对米格-3 进行各种改进，其中包括座舱盖在高速飞行中无法打开、邮箱泄漏等。最主要的问题还是 AM-35A 发动机，因为发动机的问题导致了 30 多起各种事故。由于供油系统的的缺陷，飞机在俯冲时发动机油压会降低很多，发动机甚至在 5,000 米高度时都会发生喘振。在一次空战中，第 31 团的 3 名飞行员在卡纳斯上空驾机追逐德军侦察机时全部陷入螺旋，结果导致一名飞行员牺牲。
试飞员出身的工程师柯柴特科夫在来到卡纳斯调查后发现事故原因与飞行员训练不足有很大关系，这三名飞行员飞米格-3 的小时数都很少，而且从来没有执行过高空飞行任务。柯柴特科夫通过组织多次在 7,000—11,000 米高度的试飞解决了螺旋问题，证明飞机在 10,500 米高度时仍可以完成战斗任务。他总结出在飞行高度超过 8,000 米时的飞行要点并传授给其他飞行员。柯柴特科夫的工作很快便起到了效果，靠近罗马尼亚边界的第四飞行团很快便击落了三架入侵飞机。该团与装备米格-3 的第 55 团都是隶属于第 20 混成航空师的部队。试飞员斯坦凡诺夫斯基回忆道：“该师装备有两代不同的战斗机，一类是 I-16 和 I-153，另一类是先进的米格-3，但令我感到吃惊的没有人愿意飞米格，于是我驾机升空并施展浑身解数展示米格-3 的性能，当我落地后，飞行员们对米格-3 的态度立刻便发生了变化，换装工作开始紧张地进行，每天都要从清晨飞到入夜。”在试飞员的帮助下，该师的飞行员很快掌握了米格-3。该师第 55 团的一名飞行员亚历山大·波克雷什金后来成为了苏联王牌飞行员，先后三次获得苏联英雄称号，他回忆道：“当我第一次见到米格-3 时，他那先进的气动外形立刻便使我着迷。”他把米格-3 比做烈性赛马，“在有经验的骑手手中他就是一支快箭，但是一旦你失去对他的控制就会丧生在他蹄下。”
波克雷什金座机 MiG-3 “白 5”号
1941 年 5 月，米格-3 进行了在翼下加装两挺 12.7 毫米机枪的实验，米高扬甚至还打算为飞机进一步安装 20 或 23 毫米的机炮，但是试飞结果表明，安装有 5 挺机枪的米格-3 飞行速度下降了 20—30 千米/小时，机动性的下降也令人无法忍受。在战争爆发前，工厂共制造了 821 架装备有 5 挺机枪的米格-3，但是在很多飞机装备部队之前都拆除了翼下的机枪。轻装后的米格-3 重 3,285 千克，海平面最大速度 462 千米/小时，5,000 米高度最大速度 559 千米/小时，7,800 米高度时最大速度 603 千米/小时，飞机爬升到 5,000 米高度需耗时 6.8 分钟，实用升限 10,850 米，低空盘旋一周时间 23 秒，起飞滑跑距离 320 米，航程 720 千米。这些飞机性能与初期型米格-3 相比有所下降，这是由于前者引擎罩和蒙皮比后者粗糙导致的。
安装 5 挺机枪的米格-3，注意翼下吊舱
尽管战争爆发前有 17 个苏联战斗机团装备了总共 917 架米格-3，此外还有 64 架米格-3 装备了黑海舰队和波罗的海舰队，但是真正形成了战斗力的只有部署在西部军区的第 20 混成师、第 41、124、126 战斗机团和第 23 基辅战斗机团。部署在边境地区的米格-3 在战争开始时损失惨重，他们成为了纳粹空军的第一轮打击目标。装备有 233 架米格-3 的苏联空军第 9 混成师是苏联空军战斗力最强的部队之一，在第一天的战斗中该师损失了全部 407 架战斗机中的 347 架，其装备的所有米格-3 全部被摧毁在地面上。苏军飞行员科科内夫驾驶一架米格-3 强行起飞，并驾机撞毁了一架德国 Bf 110 战斗机，这也是米格-3 在卫国战争中首次与敌机同归于尽的战例。但是个别飞行员的勇敢行为并不能扭转整个战局发展。第 9 混成师师长查尼柯少将由于没能保全其部队而被逮捕，随后这位成名于西班牙内战时的“苏联英雄”被宣布为“人民公敌”并被枪毙。但是这样的举动对局势却于事无补。
1941 年夏，第 401 战斗机团的 MiG-3
为了补充在开战时遭受巨大损失的西线苏联空军实力，在 1941 年 6 月 22 日，苏联空军司令命令将 99 架米格-3 战斗机火速送往前线，但是这批飞机的命运更为不幸。由于战争初期苏军部队产生了巨大的混乱，撤退的苏军部队为了不让飞机落入纳粹手中，不得不将自己的飞机摧毁。因此到了 6 月 24 日，西线苏联空军已经没有一架新型单座战斗机，到了 25 日这种情况有了改变，超过 200 架米格-3 战斗机抵达前线，随后的每一天几乎都会增加一个战斗机团。在 29 日的一场空战中，两架米格-3 击落了三架德军 Bf 109 战斗机。值得一提的是由试飞员组成的 5 个战斗机团，其中两个团装备了米格-3。成立试飞员战斗机团的建议是由苏联功勋试飞员，“苏联英雄”称号获得者萨普伦提出的，他说服斯大林相信经验丰富的试飞员能更好的发挥新型战斗机的威力，由他们组成的战斗单位将会在前线制空权争夺中起到重要作用。萨普伦和裴奥特·斯坦凡诺夫斯基上校分别成为第 401 和第 402 特别战斗机团的团长，这两个飞行团装备有刚刚走下生产线的 67 架米格-3 战斗机，并于 6 月 30 日抵达前线。第 401 团抵达祖博夫后，大大加强了西线苏联空军实力，该团立刻便参加了密集的空战，他们攻击敌军地面部队，执行侦察任务并与纳粹的容克式和梅赛施密特式战斗机在中低空展开了殊死搏斗。仅在 7 月 2 日和 3 日两天，该团便击落了 8 架敌军飞机，在随后的一天，萨普伦一个人就击落了 4 架敌机，他也因此第二次获得“苏联英雄”称号。