Поскольку работы над двигателем АМ-37 задерживались, на прототипы поставили двигатель АМ-35А стартовой мощностью 1350 л.с. и рабочей мощностью 1200 л.с. С этим двигателем самолет получил заводское обозначение «изделие 61», тогда как самолет с двигателем АМ-37 обозначили как «изделие 63».

Первый прототип И-200 планировалось собрать к 15 апреля, но уже 30 марта 1940 года самолет доставили на Ходынку под Москвой. На следующий день начались наземные испытания самолета, которыми руководили А.Г. Брунов и А.Т. Карев. В испытаниях участвовали главный летчик-испытатель завода № 1 Аркадий Екатов, представитель армии полковник М.И. Марцелюк и инспектор ВВС майор М.Н. Якушин.

4 апреля Екатов разогнал самолет на взлетной полосе и совершил подлет. На следующий день Екатов совершил уже 15-минутный полет. Но уже 6 апреля произошла авария. По-видимому, самолет загорелся в воздухе. Самолет получил значительные повреждения, которые удалось устранить лишь к 22 апреля.

На следующий день Екатов в пикирующем полете развил скорость 600 км/ ч, но при посадке повредил шасси. 24 мая испытания максимальной скорости повторились. На высоте 6900 м Екатов разогнал самолет до 648,5 км/ч при номинальной мощности двигателя. Скороподъемность машины также оказалась неплохой. Высоту 5000 м прототип набрал за 5,1 мин, а 7000 м - за 7,15 мин. Характеристики самолета лишь незначительно отличались от расчетных, но прототип не нес вооружения. Кроме того, на нем стоял только один масло-радиатор, смонтированный на левом боку. В отличие от серийных машин воздухозаборник маслорадиатора закрывала подвижная створка.

Передняя часть фюзеляжа второго прототипа. Видны выхлопные патрубки и один из двух маслорадиаторов.

25 мая на И-200 № 1 совершил 20 минутный полет Степан Супрун, недавно вернувшийся из Китая. Супрун составил восторженный отчет с рекомендацией к серийному производству. Еще до конца дня появился приказ Комитета Обороны № 224, а 31 мая появился приказ НКАП № 245. Оба они предписывали заводу № 1 до конца года выпустить 125 новых самолетов, одновременно свернув выпуск истребителей ББ-22. Таким образом, решение о серийном выпуске самолета приняли еще до завершения заводских испытаний, не говоря уже об испытаниях государственных.

Прототип И-200 № 2 завершили к 25 апреля, а первый полет на нем Якушин совершил 9 мая. Спустя три дня произошла первая поломка наддува. К 10 июня неисправность устранили, но новый полет принес новые технические проблемы. На этот раз неисправность удалось устранить к утру следующего дня.

5 августа Якушин развил на И-200 № 2 максимальную скорость 651 км/ч на высоте 7000 м при номинальной мощности двигателя. При максимальных оборотах скорость регистрировали только на высотах 2220 м - 579 км/ч и на 3630 м - 605 км/ч.

Третий прототип И-200 № 3 начал наземные испытания 13 мая. Он был первым из прототипов, получившим вооружение: 2 пулемета ШКАС калибра 7,62 мм и 1 пулемет УБ калибра 12,7 мм. Наземные испытания вооружения проводились при работающем двигателе. Сборку планера самолета завершили к 1 июня. Первый полет прототип совершил 6 июня, пилотировал самолет Марцелюк. И-200 № 3 в отличие от первых прототипов имел цельнометаллическое крыло (деревянным оставался лишь центроплан). Вместо осветительных устройств НГ-12 на самолет установили посадочный огонь ФС-155 в левом крыле.

Испытания вооружения перенесли на 20 июня, для чего самолет перевели на полигон в Ногинск. Здесь провели детальное испытание бомбодержателей в горизонтальном и пикирующем полете. Одновременно тестировалось устройство ЗАО-6, начиненное белым фосфором, и выливной авиационный прибор ВАП-6М, предназначенный для распыления ОВ.

Также на И-200 № 3 испытывали ракетное вооружение. Еще на этапе проекта для И-200 предусматривали установку десяти направляющих РО-82 для ракет РОС-82 (ракетный осколочный, калибра 82 мм) модель 0156.

13 апреля 1940 года в НИИ ВВС решили сократить вооружение до 8 ракет. Спустя шесть дней это решение утвердил заместитель начальника ГУАС А. Репин. Ракетное вооружение предполагалось установить уже на второй прототип.

Решением военного совета РККА от 28 мая ракетное вооружение предполагалось поставить на все новые истребители.

Но испытания провели только на третьем прототипе, поскольку только на нем появилась металлическая обшивка крыла. Серийные самолеты с деревянной обшивкой консолей, должны были получить металлическую обшивку между 1-й и 6-й нервюрами на нижней стороне, но позже выяснилось, что такой шаг оказался излишним.

Испытания пулеметного вооружения начались 14 августа в Чкаловске. Расположенные рядом три ствола разных калибров работали нестабильно, часто отмечались отказы. 21 августа предприняли попытку стрельбы только из пулемета УБС калибра 12,7 мм. Но и в таких условиях пулемет заклинило. Неисправность удалось устранить, и 28 августа пулемет отстрелялся без проблем.

Испытания выявили ряд типичных «детских болезней», которых не избежал И-200. Самой серьезной проблемой было недостаточное охлаждение двигателя. Двигатель проектировался для бомбардировщика ТБ-7, где площадь радиаторов не имела большого значения.

У прототипов фонарь открывался право.

Систему охлаждения переделывали 21 раз, а систему охлаждения масла -17 раз. На самолет даже пытались ставить маслорадиатор от Bf-109, по-видимому, цилиндрический от Bf-109B, а не коробчатый от Bf-109E. Наконец, пришлось поставить два маслорадиатора по бокам от двигателя. Регулирующие заслонки перенесли вглубь воздухозаборника.

Официально заводские испытания завершили 25 августа, то есть еще до завершения испытаний вооружения. Испытания заняли 109 дней, прототипы налетали 40 часов 49 минут. Публично о существовании И-200 объявили 18 августа 1940 года, когда И-200 № 1, пилотированный Якушиным, появился на празднике авиации в Тушине.

29 августа И-200 №№ 2 и 3 (оба с установленным вооружением) были переданы для государственных испытаний. Сроки соблюсти не удалось, но испытания прошли без серьезных проблем. Их закончили уже к 12 сентября. Но в тот же день произошла авария. Кочеткову пришлось совершить вынужденную посадку из-за отказа топливной системы.

В испытаниях участвовали многие ведущие летчики-испытатели НИИ ВВС: П.М. Стефановский, А.Г. Кочетков, С.П. Супрун, А.И. Филин, А.И. Кабанос, А.Г. Прошаков и А.Г. Кубышкин. Большинство из них летали на И-200 и раньше. И-200 был единственным истребителем, который прошел государственные испытания с первой попытки. И-301 направили на доработку, а И-26 полностью забраковали.

13 сентября на заседании технического совета НИИ ВВС С. Супрун восторженно отозвался о самолете. Аналогичный отзыв дал и генерал-лейтенант П.В. Рычагов. Было указано, что самолет И-200 с двигателем А-35А развил на высоте 7200 м скорость 628 км/ч, что находится на уровне лучших иностранных моделей. Позднее были получены новые данные, по которым на высоте 7600 м самолет развил 736 км/ч.