手工涂上彩色的米格-3 的老照片，飞机上写的是“为了祖国”、“为了斯大林”
在俄罗斯严酷的冬天，米格-3 依然可以可靠地起飞作战
改进型在 40 年 10 月 29 日首飞，命名为米格-3，成为二战初期苏联空军的主力战斗机之一，巴巴罗萨作战时已经进入现役达 1,200 架以上，几乎占所有已经进入现役的新一代战斗机的一半。米格-3 的操控有所改善，但依然十分暴烈。然而，在优秀飞行员的手里，米格-3 的出色的高空高速性能依然闪光。在东线战争爆发之前，德国空军已经开始对苏联境内进行侦察飞行。德国空军认为其容克 86P 侦察机可以在苏联战斗机的升限之上安全飞行。当一架容克 86P 在苏联境内消失的时候，德国空军依然盲目乐观地认为这只是机械故障导致失事。当更多的容克 86P 消失后，德国空军终于意识到，它们是被打下来的。事实上，最后一架容克 86P 是被米格-3 迫降的。迫降后，德国飞行员只来得及破坏机上的侦察照相机，但苏联最新的米格-3 战斗机可以上升到 12,000 米高空作战的惊人事实终于传到了德国。
米格-3 较宽的起落架轮距使它起飞、着陆较平稳
米格-3 的机身相当结实，迫降成功的话，常常可以帮助飞行员全身而退
巴巴罗萨作战爆发前夕，斯大林拒绝相信种种大战迫在眉睫的情报，西线总司令巴甫洛夫大将盲目乐观地将西线主力靠前部署，但又不进入战斗准备状态。结果，德军的闪电式突击在短时间内摧毁了措手不及的西线苏军主力，空军的大批战斗机在地面就被摧毁，米格-3 也不例外。
好在从噩梦中惊醒的苏联空军依然保存下来了大批飞行员，他们马上驾起后方新生产的战斗机升空，和入侵的德军作殊死的战斗。性能优秀但脾气暴烈的米格-3 在优秀飞行员的手中，成为抗击德军的有力武器。著名空战英雄波克雷什金在换型之前，就用米格-3 击落过 12 架德国飞机。在试飞员 Suprun 的提议下，各设计局的试飞员也组成两个特别战斗机团，一个由 Suprun 自己指挥，另一个由 Stefanovskiy 指挥，率领着不全是空军飞行员（这个传统延续至今，现在苏霍伊的头牌试飞员弗洛洛夫就不是空军飞行员）的试飞员团作战。Suprun 在战斗中牺牲，至今在莫斯科郊外仍然有 Suprun 和他的米格-3 的雕像。
与此同时，德军还在高速冲向莫斯科，苏联的军工体系被整体转移到乌拉尔山中，米格设计局和沃努科沃飞机工厂也转移到莫斯科以东 800 多公里的车比雪夫。1941 年的冬天特别寒冷，入侵的德军被“冬天将军”打了个鼻青眼肿。虽说苏联人对严寒见得更多一点，但紧急疏散的目的地只有非常简陋的条件，没有人会真正“习惯”于零下 35 度的严寒。和很多其他军工单位一样，新工厂在最后一车物资到达 10 天后，就下线第一架在新地址组装的米格-3。这种惊人的效率真是前无古人、后无来者。
然而，德国空军在东线主要在低空活动，米格-3 平平的低空性能使它英雄无用武之地。米格-3 的一挺 12.7 毫米和两挺 7.62 毫米机枪也火力不足，用于对地攻击效果不好。米格-3 逐渐从争夺前线制空权转入后方防空，甚至担任并不适合的对地攻击。AM-35 发动机和用于 强击机的 AM-38 发动机在同一工厂生产，受到苏军欢呼和德军诅咒的伊尔-2 在前线供不应求。在转移到乌拉尔的时候，苏共中央已经决定，鉴于米格-3 的高空高速性能在实战中并不能得到发挥，雅可夫列夫和拉沃奇金的战斗机的中低空性能更加优越，所以中止米格-3 的生产，将其发动机的生产能力转为 AM-38，支持伊尔-2 的生产。但由于惯性的关系，AM-35 发动机的生产并没有马上停止，伊尔-2 的生产依然迟缓。盛怒的斯大林亲自发电报，愤怒指责米格欺骗国家和红军，责令 AM-35 发动机立刻停产，全部转入 AM-38 的生产。并严厉指出“这是最后的警告”。在大清洗还记忆犹新的时候，斯大林的这一严厉警告当然被雷厉风行地立即执行，除了用剩余零件组装了几十架外，米格-3 就此停产。剩余的米格-3 在二战中主要担任二线任务。
米格设计局在二战中还设计过其他飞机，其中较重要的是 DIS，曾被非正式地称为米格-5。这是一架双发重型战斗机，用于为正在设计中的彼得里亚科夫的彼-8 四发重轰炸机护航，并可兼作侦察、远程巡逻和轻型轰炸等，在概念和构型上和梅塞斯密特 Me 110 相似。由于现役的彼得里亚科夫的彼-2 已经可以较好地完成侦察、巡逻、轻型轰炸任务，彼-8 又被取消，DIS 也就没有获得准生证而流产了。
没有了 AM-35 发动机，米格还在继续对米格-3 改进，希望能咸鱼翻身。改进的重点在两个方面：一是用气冷星形的 M82 发动机替代 AM35 发动机，这样可以避开斯大林不准和伊尔-2 争抢发动机生产能力的禁令；另一方面是根据前线使用经验，在气动上对米格-3 进行修改，以达到更高的性能。米格试图用气冷星形 M-82 发动机改装米格-3 的努力不成功。M-82 比 AM-35 直径大很多，也更重，修长的米格-3 的机身和粗短的 M-82 怎么配合怎么别扭，连接和过渡很难处理，在风洞和实飞中都出现显著的涡流阻力。米格还不断用新技术研制更新的战斗机，包括加装涡轮增压。有意思的是，米格的涡轮增压没有委托发动机设计局，而是自己设计的，负责的就是年轻的罗斯蒂斯拉夫·贝利亚科夫，30 年后执掌米格设计局，主持设计了。部分米格新机达到试飞阶段，其中一些直接加入莫斯科的防空部队，边作战边试飞。不断的小步快跑使新研制的战斗机不仅在速度、操控上有所改进，也在飞机的制造和设计细节上达到了一个新高度。全金属构造（米格-3 还是传统的木质框架、胶合板蒙皮构造）、加压座舱等都在这个时期实现，为以后进入喷气时代打下了基础。
米格-5（也称 DIS）是米格设计局在战时的一个流产的设计，在设计概念上和 P-38、Me 110 相似，打算用作远程巡逻、护航、侦察、轻型轰炸任务
米格-9 就改装 M82 气冷发动机的米格-3，但改装不成功
伊-230 是对米格-3 全面改进的结果，在试飞时就加入莫斯科防空部队参加战斗飞行，这是第 12 近卫战斗机团的四架伊-230 之一