С 20 июня по 10 августа 1946 г. опытные танки №3 и №4 прошли 1000-км межведомственные испытания на трассе завода №183. Их проводила комиссия под председательством начальника Технического управления ГБТУ ВС инженер-полковника А.И. Благонравова, в состав которой также входили И.С. Бер, Н.А. Кучеренко и Н.С. Гутник. Пробег проходил по маршруту Нижний Тагил - Невьянск - Реж и обратно. Т-54 с пушкой ЛБ-1 преодолел около 1000 км по сухой грунтовой дороге, щебеночному и булыжному шоссе, а танк с пушкой Д-10Т - 760 км.
Из-за значительного усиления броневой защиты башни, перевода гусениц на цевочное зацепление с ведущими колесами и других нововведений полная боевая масса танка превысила заданную в ТТТ (36 т) более чем на 3 т. Соответственно, удельная мощность машины снизилась с 10,6 до 9,8 кВт/т (с 14,4 до 13,3 л.с./т), а среднее давление на грунт возросло до 96,1 кПа (0,98 кгс/см>2).
Тем не менее, комиссия отметила серьезные преимущества этого варианта Т-54 над всеми известными средними танками, но не засчитала испытания из-за дефектов в ходовой части и трансмиссии, а также из-за превышения боевой массы и невыполнения ряда требований, заданных в 1945 г. К числу существенных недостатков отнесли: сильный шум трансмиссии, ненадежность синхронизаторов в коробке передач, разрушение массивных резиновых бандажей опорных катков, поломку торсионного вала подвески первого правого опорного катка (на одном из танков), недостаточную надежность траков, плохую работу всех пулеметов и невозможность кругового обстрела из зенитного пулемета без поворота башни, большие усилия на рычагах управления. Кроме того, на танки так и не установили гидроамортизаторы, вращающийся полик в боевом отделении и противокумулятивные экраны.
27 августа 1946 г. вышел приказ Министерства транспортного машиностроения №211, в приложении к которому был представлен перечень улучшений (всего 21 пункт) для внедрения в конструкцию серийных танков Т-54 после отработки и испытаний опытных образцов. Основными из них являлись: снижение шума, разработка сервоустройства для уменьшения усилий на тягах управления до 8-10 кгс, повышение надежности торсионной подвески, совершенствование синхронизаторов в коробке передач, обеспечение герметичности корпуса машины при преодолении брода.
В августе-сентябре 1946 г. КБ завода №185 доработало серийные чертежи с учетом замечаний по результатам летних испытаний двух последних образцов танка. К 16 сентября того же года опытный цех завода изготовил следующий опытный образец танка Т-54 с прежними корпусом и башней. Основные изменения коснулись лишь ходовой части и трансмиссии. С 18 сентября по 28 октября 1946 г. эта машина прошла заводские испытания пробегом в объеме 2000 км.