Первый полет опытного образца состоялся 23 мая 1933 г. Во время дальнейших испытаний была достигнута скорость 350 км/ч. Попытки повысить ее до 400 км/ч приводили к возникновению флаттера и к проблемам с управляемостью самолета в полете. 14 сентября 1933 г. произошла авария. Рули направления одновременно сломались, но летчик-испытатель сумел посадить самолет, при посадке было повреждено шасси.

После аварии приступили к постройке самолета-дублера, но с доработанной конструкцией. Разнесенное вертикальное оперение заменили обычным на высоком киле, составлявшем одно целое с фюзеляжем и имевшем гладкую обшивку, но на крыле обшивка еще оставалась гофрированной. Был сделан ряд изменений в оперении, изменена форма низа фюзеляжа, закрыта передняя кабина и изменена форма задней кабины. Второй самолет получил обозначение МИ-ЗД (АНТ-21бис). На сей раз заводские испытания прошли намного лучше; управление самолетом было более качественным. Но для ВВС МИ-ЗД в 1934 г. уже не представлял интереса, поэтому программа была отменена.

Характеристики МИ-3 (АНТ-21): экипаж – 3 человека, силовая установка – 2 х М-17 мощностью по 680 л. е., размах крыла – 19,11 м и его площадь – 52,1 м^>2, длина – 10,85 м, вес пустого – 3412 кг, взлетный вес – 5955 кг, максимальная скорость – 351 км/ч, практический потолок – 7885 м.

Характеристики МИ-ЗД (АНТ-21бис): экипаж – 3 человека, силовая установка – 2 х М-34Н мощностью по 750 л. е., размах крыла – 20,76 м и его площадь – 59,2 м^>2, длина -11,57 м, вес пустого – 4058 кг, взлетный вес – 5608 кг, максимальная скорость – 350 км/ч, практический потолок – 8300 м.

В 1939 г. под руководством Артема Ивановича Микояна, работавшего в 1938–1939 гг. у Н.Н. Поликарпова, а в 1940 г. ставшего главным конструктором завода № 1, и Михаила Иосифовича Гуревича, с 1940 г. заместителя главного конструктора, начали разработку истребителя-перехватчика, который должен был оснащаться двигателем АМ-35А или АМ-37.

Параллельно с И-200 разрабатывался проект бронированного штурмовика ПБШ-1 с двигателем АМ-38. Самолет представлял собой моноплан, вооруженный двумя крыльевыми пушками МП-6 калибра 23 мм и шестью крыльевыми пулеметами ШКАС. После того как проект ПБШ-1 не был утвержден, в ОКБ разработали проект штурмовика ПБШ-2 с двигателем АМ-38 и вооружением из двух пушек МП-6 и шести пулеметов ШКАС. ПБШ-2 представлял собой биплан, верхнее крыло которого имело большую отрицательную стреловидность и было сдвинуто назад по отношению к верхнему крылу. Однако и этот проект не был принят, а ОКБ было рекомендовано сосредоточиться на разработке истребителя И-200.

После окончания проектирования И-200 были построены три опытных экземпляра машины, первая из которых поднялась в воздух 5 апреля 1940 г. Самолет был оснащен высотным двигателем АМ-35А, в качестве вооружения нес три пулемета и 200 кг бомб.

После проведения летных испытаний, во время которых истребитель развивал максимальную скорость 628 км/ч, началось серийное производство самолета под обозначением МиГ-1. В конце 1940 г. к испытаниям приступил опытный экземпляр И-200 № 02 (МиГ-1 АМ-37) самолета с двигателем АМ-37, первый полет состоялся 6 января 1941 г., но завершить испытания и доводку двигателя АМ-37 на И-200 № 02 не удалось, так как 7 мая 1941 г. машина потерпела аварию из-за отказа двигателя. Самолет был разбит и не восстанавливался.

Серийные истребители МиГ-1 начали поступать в строевые части в апреле 1941 г., сразу же после начала войны на основе МиГ-1 были сформированы два истребительных полка особого назначения, укомплектованные в основном летчиками-испытателями. Однако в ходе боевого применения выявились недостаточная устойчивость самолета в полете, малая дальность полета и низкая живучесть конструкции, вследствие чего выпуск машин ограничился 100 экземплярами.