1941년 6월 22일 바르바로사 작전이 개시되었을 때, 981대의 MiG-3이 소련 공군, 소련 방공군, 그리고 소련 해상 항공대에 투입되었다. MiG-3은 평시에도 비행하기 어려웠지만, 전시에는 더욱 비행하기 힘들었다. MiG-3은 고고도 전투를 위해 설계되었는데, 동부 전선에서의 공중전은 일반적으로 저고도에서 발생했고, 이에 따라 MiG-3은 메서슈미트 Bf 109뿐만 아니라 동시대 소련 전투기들과 비교했을 때 그 성능이 떨어졌다. MiG-3은 1941년 가을 전폭기로 사용되었으나, 이 역시 MiG-3에게는 어울리지 않는 역할이었다. 전투 중 MiG-3의 손실은 매우 컸으며, 소련 공군의 전투기들 중 손실 비율이 가장 높았다. 전투 중 약 1,432대의 MiG-3가 격추되었다. MiG-3는 제2차 세계 대전 이후에 더 이상 양산되거나 사용되지 않았다.