米高扬和格列维奇将发动机向前移动了一点，增加了俯仰稳定性；将机翼外段的上反增加了一点，增加了横滚稳定性。发动机前移是使重心前移。飞机的俯仰方向上的静态稳定性有两个重要的点，一个是重心，这是在机体俯仰运动的支点；另一个是升力压力中心，这是升力作用的点。重心处于升力压力中心前的话，飞机在俯仰方向上是静态稳定的，或者说飞机有自然恢复水平姿态的趋势。也就是说，水平飞行的飞机如果受到扰动而机头上仰的话，增加的机翼迎角将产生更大的升力，更大的升力向上作用在靠后的升力压力中心上，以重心为支点，将使机头下压，机体姿态恢复水平。机头在扰动作用下下俯的恢复机理正好反过来。但实际上，机头下俯带来自然的加速，气动控制面的作用增加，飞行员相对容易改出，问题还小些；但机头上仰带来自然减速，气动控制面的作用减少，飞行员就不容易改出，而是容易导致失速和螺旋。静态稳定的飞机自然地保持飞机的稳定飞行，静态不稳定的飞机需要不断地补偿气动扰动，否则飞机将很快失控。但静态稳定性太高，飞机不容易改变飞行姿态，也就是机动性不好。需要高度机动性的战斗机应该放宽静态稳定性，但静态稳定性过于靠近临界点的话，维持稳定的飞行就很困难。米格-1 就是这样一种情况，米格-3 有所改善。这不是没有办法改善的，可以移动重心或升力压力中心以增加稳定性，同时大大增大气动控制面，用增加阻力的代价，来换取更好的稳定性和机动性之间的平衡。但在发动机功率不足而对速度和高度的要求很高的情况下，米格花不起太大的代价。机翼上反时，飞机向一侧倾滚，机翼接近水平，产生更大的升力，使机体回中。增加上反，使这个作用在更大的范围内有效，但以损失正常升力为代价，因为增加了本来可以用来产生升力的下翼面高压气流沿展向的逃逸。米格-3 根据使用经验，整架飞机还在其他很多地方做了精细的修改。
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 发动机和用于伊尔-2 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。