换装 12.7 毫米 UBS 机枪并挂载 RS-82 火箭的 MiG-3

在量产停止后，米格-3 仍然频繁的执行战斗任务，该机零部件的通用性和良好的维护能力保证了其战备状态。截止到 1942 年 5 月 1 日，仍有 134 架米格-3 在苏联空军服役，其中 3/4 还拥有战斗能力。但是战斗部队对米格-3 的评价却不尽相同，第 487 团的飞行员认为该机机动性太差，而第 519 团却认为米格-3 比雅克-1、拉格-3 和 I-16 都要强。1942 年夏天，在西线战斗的第 201 航空师开始用雅克-1 替换其装备的米格-3，替换下来的飞机被移交给第 122 战斗机团，此外所有从修理厂维修后的米格-3 也被划拨给了该团，这使得该团飞机数量大大超过了编制。

当 1942 年秋季第 201 航空师移防斯大林格勒时，由于苏军认为米格-3 性能逊于斯大林格勒附近的德军飞机，因此第 122 团被留在了西线进行战斗。该团的米格-3 一直使用到了 1943 年春天，这期间他们的对手不仅仅是 Me 109，还有更为先进的 Fw 190 战斗机。在 1942—1943 年间，米格-3 主要装备国土防空军部队，尤其是在 1942 年夏季，米格-3 和 I-16 是苏军使用最广泛的战斗机，他们中的一半，约 330 架战斗机用于保卫莫斯科的上空的安全。他们可以有效的对付飞行高度在 11,000 米以下的德军轰炸机和侦察机，但是对飞行高度达 12,000 米的容克 Ju 86R 和高空侦察机却无能为力。于是米格设计局首次被要求设计一种高空战斗机。

米格-3AM-38

整个 1941 年秋季，米格设计局都在忙于为米格-3 战斗机更换新的发动机，8 月初，米格局为米格-3 安装了一台克里莫夫 AM-38 发动机，这种发动机功率有所提高，但是低空性能却下降了。更换发动机后的米格-3 被命名为米格-3AM-38，该机空重 3,325 千克，略大于安装 AM-35A 发动机的米格-3，在试飞中米格-3AM-38 最大海平面速度为 514 千米/小时，高空最大速度为 582 千米/小时。其后在米高扬的建议下，设计人员有对该机进行了一些细节修改，修改后的米格-3AM-38 战斗机的高空和海平面最大速度都有所提高，其中后者达到 547 千米/小时，这一速度不但超过当时苏军装备的所有型号的战斗机，而且超过了当时德军最快的 Bf 109F2 和 Bf 109F4 战斗机。