По предложению лётчика-испытателя С. П. Супруна, были сформированы два полка на МиГ-3 с большим процентом знакомых с ними испытателей. Косвенно это помогло в устранении недостатков пилотирования, но остался непреодолённым основной недостаток МиГ-3: превосходя все истребители в скорости на высотах более 5 000 м, он на малых и средних высотах уступал истребителям Як, Ла и немецким, что вместе со слабостью вооружения не позволяло полноценно использовать МиГ-3 как фронтовой истребитель. Но он нашёл себе применение как высотный ночной истребитель в системе ПВО, где его большой потолок (до 12 000 м) и скорость на высотах были решающими. Так он в основном и применялся до конца войны, в частности, охраняя Москву. На фронтах МиГ-3 применялся в 1941—1943 годах (на Брянщине, на Кубани, в Молдавии и в Крыму). В 1941 году МиГ-3, несмотря на стереотип о слабом вооружении, широко и успешно использовался как истребитель-бомбардировщик, с установкой под крыльями шести-восьми РС-82 (опыты с РБС-132 и РОФС-132) или двух ФАБ-50. Самолёты МиГ-3 были единственными среди истребителей нового типа, получившими в предвоенное время бомбодержатели и доведённую проводку системы сбрасывания. Также успешным было применение МиГ-3 как разведчика. Недостатком МиГ-1 и МиГ-3 была невозможность установки пушки в развале блока цилиндров двигателя, вызванная конструкцией микулинских моторов. Тем не менее, в совокупности более трети выпущенных МиГ-3 имели вооружение (не считая ШКАС) из двух-трёх крупнокалиберных пулемётов (БС и БК), батарей РС-82 и пушек ШВАК (всего 52 самолёта). В течение 1940—1941 годов заводы выпустили более 3,3 тыс. самолётов МиГ-3.