Тем не менее началась подготовка к его серийному производству в надежде, что основные дефекты все же быстро устранят.
Постановлением Комитета Обороны предписывалось выпустить первую партию из десяти УТ-3 к 1 сентября 1939 года. Поскольку всю документацию на машину пришлось переделывать под технологические процессы завода № 81, то первая машина покинула сборочный цех с опозданием на три дня. К тому же пришлось импортные двигатели заменить более тяжелыми советскими МВ-6, построенными по лицензии, и с винтами изменяемого шага АВ-3.
Поскольку потребность в учебно-тренировочном бомбардировщике была очень велика, то вслед за заводом № 81 к выпуску УТ-3 подключили предприятие в подмосковных Химках № 301. Однако завод № 81 так и не построил ни одной машины, а всю оснастку и задел передали в Химки. Первый самолет на авиазаводе № 301 построили 1 сентября 1939 года и после доводки и заводских испытаний передали в НИИ ВВС. Но их результаты не радовали. Он не только заметно потяжелел, но и его центровка опасно сместилась назад до 33 процентов. Пришлось отказаться от радиостанции и фотоаппарата АФА-3, предусмотренных в серийных машинах. Помимо этого, сместили двигатели вперед, однако этого оказалось недостаточно.
В начале 1940 года в НИИ ВВС (ведущие инженер Турчков и летчик И. С. Стадник) исследовали устойчивость и управляемость первого экземпляра самолета завода № 301, но результаты оказались неутешительными.
По отзыву летчика-испытателя П. М. Стефановского, «самолет значительно ухудшился в отношении пилотирования… По сравнению с боевыми серийными самолетами ничего общего в технике пилотирования не имеет… Вследствие перетяжеления конструкции, плохой устойчивости, плохих взлетных качеств, сложности в пилотировании, отсутствия сходства в пилотировании с боевыми самолетами самолет УТ-3 как учебно-тренировочный интереса не представляет».
Испытания и доводки серийных машин еще долго продолжались, но получить желаемый результат не удалось. Всего было выпущено 11 серийных самолетов.
Чтобы решить проблему с учебной машиной, мы даже закупили три образца самолета аналогичного назначения FW 58 в Германии и заимствовали с него некоторые технические решения. FW 58B, оснащенный стрелковым и бомбардировочным вооружением, предназначался для обучения штурманов и воздушных стрелков, а двухместный вариант FW 58C — для обучения летчиков.
Этот последний вариант «фоккевульфа» стал поводом для изменения концепции учебного бомбардировщика, превращенного в обычный двухместный УТС.
В связи с переводом завода в Химках на изготовление истребителя Як-1 весь задел и документацию на УТ-3 передали в Ленинград на завод № 47, отправив туда в качестве главного конструктора Е. Г. Адлера.