El primer MiG-3 de serie salió de la línea de producción a finales de 1940. En el momento del inicio de la invasión nazi, se habían fabricado más de 1.200 cazas. Un problema al que se enfrentaron los militares soviéticos es que no tenían suficientes pilotos entrenados en el manejo de este aparato. Muchos de los hombres que los volaron para enfrentarse a la Luftwaffe estaban acostumbrados a aviones inferiores como los I-15 e I-16, por lo que no conseguían sacarles todo el partido.
Con una velocidad máxima de 640 km/h, un alcance de 820 km y un techo de vuelo de 12.000 metros, debido a las duras condiciones de batalla contra los agresores nazis, el MiG-3 se vio forzado a luchar a baja altitud. Incluso realizó funciones de ataque a suelo, aunque en este papel se le encontró muy deficiente, por lo que dejó de desempeñarlo.
Para 1942, los MiG-3 estaban solo en servicio en Tropas de Defensa Aérea y la Armada rusa. Fueron retirados del combate a comienzos de 1945.
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