米格设计局一诞生，就马上投入了空前紧张的设计和试飞工作。战争的阴云已经压上了苏联的国门，苏联战斗机的差距已经在西班牙得到证明，时间紧迫，新战斗机要求在1940年4月就要首飞。米高扬和格列维奇以K计划为基础，递交了采用AM-37发动机的I-63方案，同时还有采用AM-35A发动机的I-61方案作为备用。AM-37发动机性能先进但实验意味较重，风险较大；AM-35A发动机是现有的，已经比较成熟了。从1938年开始，苏联航空工业内对飞机型号重新编号，米高扬的飞机获得编号200，所以I-63改称I-200AM37，I-61改称I-200AM35。
为了减少风险，米高扬和格列维奇决定将精力集中在采用AM-35A发动机的方案。新战斗机去掉了AM35的后缀，直接称为I-200。研制工作进展迅速，原型机比预定时间提前10天完成，在1940年4月5日由试飞员叶卡托夫首飞成功，5月24日就创造了在6900米高度上飞出648.5千米/小时的苏联速度纪录。5月9日，试飞员雅库谢夫首飞2号机成功，以后飞出了651千米/小时的速度纪录。6月6日，试飞员朱可夫首飞3号机成功。米高扬和格列维奇从一开始就按照大批生产的标准设计，而不是传统的先按纯科研性的原型设计再转入生产型设计，这使得原型机试飞成功后转入生产型设计的过程大大加速。
苏联空军迫不及待地将I-200投产，5月31日就批准批量生产。与此差不多同期，拉沃奇金的设计I-22和雅克夫列夫的设计I-26也准备投产。在此期间，苏联飞机命名体系开始采用设计局的名字，而不再以飞机功能命名（I是俄文战斗机Istrebitel的缩写）。同时，为了突出战斗机的特殊地位，战斗机以单数命名，所有其他飞机以双数命名。因此I-200改称米格-1。I-26和I-301也获得了冠以设计局名字的型号，这就是米格-1、拉格-1、雅克-1的开始。
米格-1的国家验收实际上在投产决定之后，要到1940年8月间才通过国家验收。不过米格-1一次通过全部验收项目，漂亮地交出了第一张答卷。相比之下，雅克-1和拉格-1的磨难要多一点。生产型米格-1很快开始下线，进入苏联空军服役。生产型的最高速度稍低，但也达到了630千米/小时，比当时先进的英国“喷火Mk5”的604千米/小时和德国梅塞斯密特Bf-109E的560千米/小时还是要快不少。相比之下，同时代的其他苏联战斗机的最大速度一般只有600千米/小时左右。
还在K计划期间，波利卡波夫就为I-200制定了“最小的机身、最大的发动机”的原则，所以米格-1简直就像插上翅膀的发动机，一切都为了速度和高度。虽然米格-1是作为米高扬和格列维奇的作品，但波利卡波夫在1940年还是被授予国家奖章，作为对他前期工作的承认。和五短身材的I-16不同，米格-1采用了流行的修长布局，纺锤形的机头内安装着很长的水冷V12发动机，散热器则布置在座舱之下，飞行员坐在这个火盆上十分痛苦。这不光使座舱内酷热难当，要是发生泄漏或者被击中，飞行员就要被活涮了。尽管水冷系统前后重新设计了17次，滑油冷却系统前后重新设计了14次，座舱温度的问题一直到米格-1的改进型米格-3停产也没有彻底解决。
米格-1的座舱盖是向侧面翻开的，结构简单可靠，但开关不易。尤其令飞行员恐慌的是，如果卡住的话，只有在地面有机械师的帮助时，才能从外面打开。很多米格-1的飞行员索性把座舱盖拆除，万一需要跳伞逃命的时候，好不至于被陷在座舱里。但这样要破坏气动外形，最大速度要损失15千米/小时。除了座舱视界受限、起落架刹车不灵、操纵杆沉重等其他问题外，米格-1最大的问题在于飞行稳定性，俯仰和横滚稳定性都很糟糕，可以同时进入失速和螺旋。加上AM-35A发动机的性能不稳定，油门响应不好，还不容许粗暴操作，受到飞行员的批评。
1939年底之前，米格-1就开始批量交货，供空军组建第一支试飞中队，著名试飞员苏普隆、斯捷潘诺夫斯基和米高扬的老同学柯切托夫参加了试飞。苏联空军在西班牙吃尽了Bf-109的亏，急于了解新战斗机的性能，还在试飞中，米格-1就被用来做模拟空战。不管米格-1有多少缺点，其优秀的高空高速性能是受到肯定的，尤其在6000米以上的高空几乎无敌，解决了西班牙内战以来苏联空军的一个心病。
但米格-1的问题也是显然的，尤其是飞行稳定性。米高扬和格列维奇将发动机向前移动了100毫米，使重心前移，增加了俯仰稳定性。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，这是机体俯仰运动的支点；另一个是升力中心，这是升力作用的点。重心处于升力中心前的话，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位于重心之后的升力中心上，以重心为支点使机头下压，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。重心越靠前，或者升力中心越靠后，稳定性越好。
稳定性太好的飞机机动性不好，需要高度机动性的战斗机应该适当放宽静态稳定性，但稳定性过于靠近临界点的话，维持稳定的飞行就很困难。尤其是改变飞行姿态时，机头下俯带来自然加速，气动控制面的作用增加，还相对容易改出；但机头上仰带来自然减速，气动控制面的作用减少，弄得不好不但没有改出，反而进入失速或者螺旋。米格-1就是这样一种情况。米格-3的发动机前移，使得重心前移，稳定性有所改善，但依然十分暴烈。升力中心是随速度而后移的，这样在低速的时候平衡的飞机到了高速时就需要用水平尾翼（简称平尾）下压来恢复水平，这就是平尾的配平作用，平尾下压带来的阻力就称为配平阻力。把发动机进一步前移以改善稳定性不是难事，但配平阻力随之增加，在发动机功率不足而对速度和高度的要求很高的情况下，米格花不起这个代价。
米格-3还将机翼外段的上反增加了一点，增加了横滚稳定性。米格-1是下单翼，也就是说，机身是“坐”在机翼之上的，重心高于机翼之间的滚转中心，本来就横滚稳定性较低。机翼上反时，飞机向一侧横滚时，一侧的机翼接近水平，而另一侧机翼更加偏离水平，前者相对于后者产生更大的有效升力，使机体产生自然回到水平位置的趋势。但增加机翼上反要以损失正常升力为代价的，因为机翼的升力方向和机翼平面垂直，但有效升力是和水平面垂直的分量。这很容易理解，在极端情况下，机翼垂直指向天空，是不产生升力的。但这是没有办法的，工程设计本来就是一个折中的过程。
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，如增大油箱、在飞行员座椅的靠背增加8毫米的装甲、加强起落架、加大轮胎尺寸、改善座舱视界、增加机枪子弹数和翼下炸弹挂架等。米格-3也是苏联第一架用全尺寸风洞作气动测试和修形的飞机。TsAGI的T-101风洞在1939年底刚刚建成，正好赶上米格-3的设计工作，米格得以定量地测定用刀形天线代替从座舱拉到垂尾顶端的拉线天线可以使速度增加4千米/小时。风洞的优化使米格-3的性能提高了3%。米格-3也放弃了米格-1的饱受诟病的侧开式座舱盖，而是采用后推式，不仅使开关容易，还改善了后方视界。
改进型在1940年10月29日首飞，命名为米格-3。为了避开严寒气候的影响，加速试飞，沃努科沃的总师卡列夫带着试飞员叶卡托夫一行人到南方黑海之滨克里米亚的塞瓦斯托波尔继续试飞。但南方的气候也不好，试飞无法加速。更糟糕的是，在1941年3月13日的试飞中，飞机一个倒栽葱下来，试飞员叶卡托夫牺牲。但磨难没有阻止米格的步伐，米格-3还是投产了。多年后，《飞行共青团员》杂志采访米高扬，问他哪一个是自己最得意的设计，米高扬回答道：“米格-3，因为这是第一架成功投产的米格战斗机，还因为这是叶卡托夫、苏普隆他们试飞出来的飞机。”
米格-3很快成为第二次世界大战初期苏联空军的主力战斗机之一，在纳粹德国入侵苏联的巴巴罗萨作战时，米格-3已经进入现役达1200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使它依然闪光。用击落敌机59架的苏联王牌波克雷什金的话说：“我总觉得它很像一匹烈马。刚毅的骑手骑上它，它能够飞驰如箭；拙劣的骑手就可能被它践踏在蹄下。”
苏联空军正式批文颁发米格-1型号实际上是在1940年12月，尽管人们在实际上已经开始使用米格-1的叫法了。苏联空军批文指定I-200的前100架为米格-1，101架开始为米格-3。这期间，设计局内部还非正式地使用过米格-2的编号。在以后战斗机采用单号之后，就变成米格-3了。值得指出的是，在苏联时代，各设计局有权将设计局的名字用于自己设计的飞机，但实际冠名权在苏联空军手里，在没有批文投产之前，设计局可以在内部使用自定编号，但是对外不能自说自话指定“米格-xx”或者“苏-xx”的飞机型号。这个传统在苏联解体之后已经不再有效，造成了型号的混乱和“贬值”。
在将米格-1改进为米格-3的同时，米格设计局还紧张地同步设计对地攻击机，内定使用编号米格-4。米格的设计将装甲钢板同时兼作机体结构，装备2门航炮和6挺机枪。不过当伊留申设计局设计成功划时代的伊尔-2之后，米格的设计工作停了下来，集中精力到战斗机上来。