Заводские испытания И-301 завершились 12 апреля 1940 г. А 29 апреля приказом НКАП его включили в список самолётов, участвующих в первомайском воздушном параде. Прозванный на заводе «роялем» (истребитель был покрыт лаком вишнёвого цвета и отполирован), он эффектно пролетел над Красной площадью. Пилотировал машину Никашин.
14 июня 1940 г. И-301 приняли в НИИ ВВС. Ведущим инженером назначили М. И. Таракановского (участвовавшего ещё в заводских испытаниях), ведущим лётчиком — П. М. Стефановского; в испытательных полётах также принимал участие С. П. Супрун. Довольно быстро выявилась масса дефектов ещё «сырой» машины, дававших о себе знать почти в каждом полёте. Поначалу никак не могли достичь скорости более 585 км/ч. Причиной оказалось недостаточное сечение всасывающих патрубков мотора. Заводская бригада переделала их за одну ночь. После этого удалось довести максимальную скорость до 605 км/ч.
В ходе испытаний заменили потёкший водяной радиатор, сняли, разобрали и поставили опять карбюратор, сменили покрышки колёс. Но всё это делалось без снижения темпа полётов. Всего совершили 42 полёта общей продолжительностью 16,5 ч. Они позволили определить основные характеристики машины, но никто не знал, как она поведёт себя на пикировании, при выполнении фигур высшего пилотажа, включая штопор; не удалось проверить в воздухе работу вооружения.
Опытный истребитель И-301, весна 1940 г.
Пушка МП-6, установленная на моторе М-105П во время полигонных испытаний: а — пушка; б — магазин на 81 патрон; в — заднее крепление; г — фальшствол.
Приборная доска И-301.
Государственные испытания заняли всего шесть дней, закончившись 27 июня. В заключении отчёта НИИ ВВС говорилось:
«1. Предъявленный на государственные испытания 1-й экземпляр… И-301 с мотором М-105П их не выдержал…
2. Самолёт отвечает заданным лётным данным по постановлению КО № 243, за исключением большой посадочной скорости 140 км/ч, вместо заданной 110–120 км/ч.
3. Признать, что… И-301 представляет несомненный интерес для ВВС, как в части своего материала — упрочнённая древесина, мощного вооружения, так и в части максимальной скорости — 605 км/ч.
4. Необходимо в кратчайший срок построить второй экземпляр этого самолёта, устранить на нём основные дефекты, выявленные при испытаниях первого экземпляра, довести стрелковое вооружение, провести заводские испытания по полной программе и передать его на госиспытания…
5. Признать целесообразным немедленно начать подготовку серийного производства… И-301 с М-105П, обеспечив выпуск 25–30 самолётов для прохождения войсковых испытаний в 1940 г. Необходимо просить НКАП особо обратить внимание на этот самолёт в части быстроты его доводки и постройки войсковой серии с устранением дефектов…»