С 20 февраля 1941 г. завод ?1 стал выпускать самолеты МиГ-3 с пятью огневыми точками (под крылом дополнительно устанавливались два пулемета БК с боезапасом по 145 патронов). Однако из-за дефицита пулеметов БК заводу ?1 пришлось часто переправлять их на другие авиазаводы. Кроме того, значительно возросший вес самолета привел к снижению его летных характеристик. В связи с этим выпуск МиГ-3 с пятью огневыми точками ограничился 821 самолетом. Для увеличения устойчивости и безопасности полета с 10 мая МиГ-3 выпускались с уменьшенным до 140 л задним фюзеляжным баком, а с 10 июля в серию были внедрены автоматические предкрылки. Кроме того, во второй половине 1941 г. самолеты МиГ-3 получили мотор АМ-35А с редукцией 0,732 (вместо 0,902) и винт АВ-5Л-123 (вместо ВИШ-22Е), новую капотировку, подвесные топливные баки и систему заполнения топливных баков нейтральным газом. Все эти мероприятия позволили повысить летные и эксплуатационные характеристики истребителя МиГ-3, а также повысить его живучесть.
В целях повышения эффективности боевого применения истребителя МиГ-3 с 20 сентября 1941 г. начался выпуск самолетов вооруженных двумя пулеметами БС (общий боезапас 700 патронов). До начала эвакуации было изготовлено 315 самолетов вооруженных двумя пулеметами БС, кроме того, 215 из них были оборудованы двумя строенными пусковыми установками 3РОБ-82 для стрельбы реактивными снарядами РС-82. Также в 1941 г. завод ?1 выпустил 3 самолета, вооруженных 2 пулеметами БС и одним ШКАС, и 2 самолета с одним БС, двумя ШКАС и двумя установками 3РОБ-82. Несколько самолетов МиГ-3 было выпущено в варианте фоторазведчиков с фотоаппаратом АФА-И.
В октябре 1941 г. завод ?1 был эвакуирован в Куйбышев. Туда же было переведено и производство МиГ-3. Однако к этому времени ВВС располагали тремя типами истребителей, а штурмовиков явно не хватало. Учитывая, что основные проблемы МиГ-3 испытывал из-за недоведенности двигателя АМ-35А, и то, что его выпускал тот же авиамоторный завод, который строил моторы АМ-38 для Ил-2, от его производства пришлось отказаться. В результате, после известной телеграммы Сталина от 23 декабря 1941 г. производство МиГ-3 было прекращено, и завод ?1 перешел на выпуск Ил-2. В эвакуации удалось выпустить только 22 самолета МиГ-3 (с двумя пушками ШВАК).
После возвращения в апреле 1942 года из эвакуации в Москву из полученного с заводов ?1 и ?30 задела агрегатов и готовых изделий собрали еще 30 самолетов МиГ-3, которые были переданы ВВС (27 машин) и авиации ВМФ (3 машины). Все 30 истребителей были вооружены двумя синхронными пушками ШВАК. Установка синхронных пушек ШВАК была предварительно отработана на самолете МиГ-3 ?6005, который в апреле 1942 г. прошел заводские испытания. Кроме того, под пушки ШВАК были переоборудованы еще два самолета МиГ-3, прибывшие для капитального ремонта.
Всего в 1940-1942 г.г. силами серийного завода ?1 и опытного завода ?155 было построено 100 самолетов МиГ-1 и 3172 самолета МиГ-3. Высокая степень унификации и ремонтопригодности самолетов МиГ-3 обеспечила им после прекращения серийного выпуска долгий срок службы. Технически состав авиационных частей ВВС и ВМФ из двух-трех поврежденных самолетов умудрялся собрать один боеспособный. Последние МиГ-3 были списаны по износу в самом конце войны.