许多苏联飞行员在执行任务时总是敞开座舱盖

在 1941 年夏末交付前线米格-3 又作了很多改进，配备了舵面辅助调整片，其 AM-35A 发动机的传动率从 0.902 增加到了 0.732，并且用自动变距螺旋桨替换了 VISH-22E 预调桨距螺旋桨。改进后的米格-3 操纵性、飞行稳定性和可靠性有了一定的改善，但是飞机的爬升率和起落性能却下降了。以改装后的 3943 号米格-3 为例，该机海平面最大速度 466 千米/小时，5,000 米高度最大速度 569 千米/小时，7,800 米高度时最大速度 615 千米/小时，飞机爬升到 5,000 米高度耗时 7.1 分钟，1,000 米高度盘旋时间 22 秒，起飞重量 3,299 千克（外挂和 335 千克的外部油箱不计）。

1941 年 8 月，米格-3 产量达到 562 架，创造了苏联战斗机的产量记录，这一纪录一直保持到了战争结束。这 562 架米格-3 加上 7 月生产的 496 架和 9 月份生产的 450 架构成了拦在纳粹空军前方的空中防线，在德军对莫斯科发起的总数达 8,279 架次空袭中，仅有 209 架轰炸机抵达了莫斯科上空。在所有保卫莫斯科的战斗机部队中，第 16、27、34 战斗机团是王牌部队。其中由普卢特斯柯夫上校指挥的第 16 战斗机团在 1941 年下半年共击落 72 架敌机。1941 年 10 月，在友军的策应下,由皮萨克上校指挥的第 27 团成功的攻击了向贝里机动的德军装甲部队。由雷比金上校指挥的第34团也在保卫西线交通线的战斗中声名大振，10 月 22 日，该团冒雨执行了 59 次战斗任务，在 24 场空战中共击落 12 架敌机。后来在莫斯科上空驾机英勇撞击敌机的著名飞行员维克多·卡拉里克辛也在这段时间击落了 5 架敌机。而第 42 团则取得了西线米格战机的最大战绩，在一次为 12 架伊尔-2 护航任务中，他们在奥瑞机场上空击落了 4 架正在起飞的 Bf 109 和 57 架正在降落的 Ju 52 运输机以及至少 60 架停放在机场上的各种飞机，而该团无一损失。

在这段时间内，米格战斗机获得了积极的评价，它的机动性甚至出乎了试飞员的预料，有的飞行员认为它的转弯机动性甚至可以与 I-15 媲美。在一次模拟空战中，米格-3 轻松的击败了扮演敌机的雅克-1 战斗机，而这架米格-3 也因为在模拟空战中动作过猛导致飞机变形而报废。在那段时间内，有 40 名驾驶米格战斗机的飞行员获得了“苏联英雄”的称号。

1941 年秋季发生的几场高空空战充分证明了 AM-35A 是一种成功的发动机。1941 年 9 月 28 日，飞行员皮洛兹柯夫在 8,000 米高度与敌机相遇，他一直咬住敌机爬升到 10,000 米高度并最终将敌机击落，这场空战是战争中首次在这种高度的空战。

1941 年 10 月，就在第一飞机厂后迁前不久，一种配备了两个 100 升副油箱和宽叶螺旋桨的新的米格-3 战斗机的改型诞生了。尽管 12.7 毫米 ShKAS 机枪射速很高，但这种武器却不十分有效，因此该机换装了 12.7 毫米 UBS 机枪，这样在不增加飞机重量的前提下，米格-3 战斗机每秒武器发射质量由 1.2 千克提高到 1.44 千克。与此同时，为飞机安装火箭发射架的工作也展开了。截止到 1941 年 10 月底，共有 49 架米格-3 安装了可装载 6 枚 RS-82 火箭的发射器，这种型号的飞机总共制造了 180 架。