Самолет, имея скорость на 100 км/ч больше, чем у основного истребителя ВВС РККА И-16, оказался значительно проще в пилотировании, что было настоящим открытием, обещавшим повышение безопасности полета и доступность для его освоения летным составом. Вместе с тем имелось немало и дефектов, которые следовало устранить до поступления истребителя в строевые части. Впрочем, это было свойственно и всем остальным новым самолетам.

В сентябре 1940 года на аэродром выкатили третий прототип И-26-III с усиленным планером, что позволило снять ограничения по скоростному напору и перегрузке. Кроме этого, для повышения критической скорости флаттера в носке несущей поверхности расположили 16-кг грузы, доработали подвижную часть фонаря кабины пилота, облегчив его открытие в полете, и врезали дополнительные лючки для доступа к водорадиатору и к амортизационной стойке хвостовой опоры шасси.

Одновременно перекомпоновали стрелково-пушечное вооружение, что позволило довести боекомплект к ШКАСам до 750 патронов, а к пушке – до 135. Правда, впоследствии боезапас снизили, но об этом речь впереди.

В ходе государственных испытаний И-26-II выяснилось, что стреляные гильзы и звенья патронных лент пулеметов попадали в воздухозаборник водорадиатора. В итоге пришлось защитить последний металлической решеткой, а для сбора гильз и звеньев от пушки предусмотрели соответствующий мешок – гильзо-звеньесборник.

Естественно, машина заметно потяжелела, а шасси было рассчитано на взлетный вес 2300 кг. Поэтому на время испытаний пришлось ее облегчить, отказавшись от бронеспинки, радиостанции и сопутствующих ей мачте антенны, электрогенератора, аккумулятора и металлизации, защищающей радиосвязь от помех. Ограничили и запас топлива. Взлетный вес в такой комплектации на государственных испытаниях составил 2801 кг.

В ходе заводских испытаний 2 октября 1940 года на высоте 4600 метров была зафиксирована скорость горизонтального полета 575 км/ч, и спустя пять дней машину передали в НИИ ВВС.

Восемь дней ушло на подготовку истребителя к испытаниям. Его взвешивали, определяли центровку, устанавливали самописцы и 13 октября приступили к тестированию. Поскольку ограничения по скоростному напору и перегрузке были сняты, то приступили к пикированию, проверке штопорных свойств и выполнению фигур сложного и высшего пилотажа, определению запасов устойчивости, отстрелу оружия. На это ушел ровно месяц. Когда испытания подходили к концу, 7 ноября самолет продемонстрировали во время традиционного военного парада над Красной площадью.

Серийный И-26 (заводской № 0201, завод № 301), аварийная посадка 28 октября 1940 года, во время сдаточных испытаний. Летчик М.И. Иванов

Как следует из отчета по результатам испытаний, утвержденного 9 декабря 1940 года, «И-26-III с мотором М-105П и винтом ВИШ-61 <…> прошел государственные испытания удовлетворительно, но недоведенность конструкции самолета (шасси, воздушная система), ВМГ (перегрев масла, плохая работа карбюраторов на оборотах мотора 1600–1900 об/мин), а также несоответствие специального оборудования ТТТ ВВС КА (отсутствуют радиооборудование, ночные посадочные средства, генератор, бензиномер) снижают летные, эксплуатационные и боевые качества машины».

Спустя месяц после начала заводских испытаний И-26-I Комитет Обороны при СНК СССР постановлением от 19 февраля 1940 года обязал завод № 301 построить в первом полугодии этого же года войсковую серию И-26 в количестве 25 машин. Освоение производства И-26 началось в январе 1940 года по указанию НКАП, еще до назначения А. С. Яковлева заместителем наркома. Более того, в соответствии с майскими 1940 года постановлениями правительства еще до начала государственных испытаний предписывалось освоить выпуск истребителей по образцу И-26-II на заводах № 126 в Комсомольске-на-Амуре и № 292 в Саратове. На внедрение новой машины заводам № 292 и 301 отвели два месяца.