С 1 марта в Анакостии начался второй этап испытаний. Конкурентов стало уже трое: в состязание вступила фирма «Северски», выставившая XNF-1 — палубный вариант своего цельнометаллического истребителя-моноплана P-35. К 11 марта «грумман» налетал 16 часов. Он был самым быстроходным из участников конкурса, показав 466 км/ч — примерно на 15 км/ч больше, чем XF2A-1. Истребитель Северского отставал уже на 65 км/ч.

С 6 апреля полёты перенесли в Филадельфию, где опробовали старт с катапульты и имитировали посадку на палубу. Летал на «груммане» морской лётчик-испытатель лейтенант Гарни. 11 апреля на аэродроме «Нэйвел эйркрафт фэктори» имитировали посадку на палубу с заглохшим двигателем, но до площадки пилот не дотянул. Пришлось садиться с планирования на поле у реки Делавер. Лейтенант сделал ошибку, выпустив шасси. Колёса увязли в мягком грунте, и истребитель скапотировал. Лётчик отделался лёгким испугом и ушибами, а самолёт получил серьёзные повреждения и далее участвовать в испытаниях не мог. Было поломано шасси, согнут винт, смят капот мотора, покалечены законцовка правого крыла и оперение. Машину вывезли в Бетпейдж и за две недели отремонтировали. Но время оказалось упущено, победителем конкурса объявили фирму «Брюстер», которая в июне получила первый заказ на 54 серийных истребителя F2A-1.

Однако руководство компании «Грумман» продолжало считать свой самолёт перспективным и старалось убедить в этом командование флота. И ему это удалось! В октябре 1938 г. фирма получила заказ на создание новой модификации машины, названной XF4F-3.

В конструкторском бюро «Грумман» проект получил обозначение G-36. На самолёте предполагалось использовать двигатель R-1830-76 в 1200 л.с. Кроме увеличенной мощности, этот вариант мотора отличался двухступенчатым двухскоростным приводным центробежным нагнетателем (ранее применялся тоже двухскоростной, но одноступенчатый). Вторая ступень наддува позволяла удерживать мощность на большой высоте, где плотность воздуха меньше. На 5800 м мотор выдавал 1000 л.с. — практически столько же, сколько раньше у земли. Это также способствовало увеличению максимальной скорости. Но двигатель стал длиннее и тяжелее. Потребовались новые моторама и капот. Воздухозаборник карбюратора вписали в переднюю кромку последнего.

Маслосистему тоже пришлось переделать. Радиаторы увеличенной производительности разместили под крылом. Пропеллер заменили на «Кэртис электрик», тоже трёхлопастный автомат, но с электрическим управлением шагом (у «Гамильтона» привод был гидравлическим). На втулку надели большой кок оживальной формы.

Расчётный полётный вес возрос, и, чтобы уменьшить нагрузку на крыло, его площадь увеличили. Лонжерон продлили, при этом размах вырос с 10,37 м до 11,59 м. Законцовки сделали не округлыми, а почти прямыми, «рублеными». В итоге площадь крыла увеличилась с 21,56 м2 у XF4F-2 до 24,15 м2. Крыло по-прежнему выполнили нескладывающимся. Элероны стали длиннее, а плечо относительно оси фюзеляжа — больше. Предполагалось, что это вместе с уменьшением нагрузки на крыло положительно скажется на маневренности и управляемости самолёта.

Выявленные ранее проблемы с устойчивостью и управляемостью попытались решить также переделкой хвостового оперения. Площадь стабилизатора увеличили за счёт придания ему трапециевидной формы в плане. Киль немного сдвинули назад и вытянули вверх. Вертикальное оперение в целом тоже приобрело форму трапеции.

Вооружение усилили. В фюзеляже теперь размещались два пулемёта калибра 7,62 мм, а два 12,7-мм пулемёта — в крыле. Из мелких отличий можно отметить ещё введённый наклон радиомачты вперёд.

В целом за счёт всех изменений самолёт удлинился примерно на полметра, вес возрастал где-то на 300 кг. По расчётам, истребитель должен был иметь максимальную скорость 530 км/ч.

В опытный образец XF4F-3 доработали остававшийся на заводе XF4F-2. Собственно, от него использовали только центральную часть фюзеляжа и шасси, остальное изготовили заново. В конце января 1939 г. на кардинально переделанный планер поставили двигатель, который взяли из одной из первых серий. Довольно долго провозились с доводкой мотоустановки, борясь с перегревом масла. 12 февраля XF4F-3 совершил свой первый полёт.

После довольно кратких заводских испытаний истребитель перегнали в Анакостию, где за него взялись морские лётчики. Скорость оказалась даже выше расчётной — намерили 537 км/ч. Практический потолок определили в 10 675 м. По лётным данным новая машина существенно превосходила F2A-1. Но часть проблем с устойчивостью и управляемостью сохранилась. Машину начали дорабатывать. На протяжении шести месяцев она неоднократно возвращалась на завод в Бетпейдже, где раз за разом в неё вносили изменения.

Экспериментировали с дефлектированием цилиндров мотора и формой кока винта. Попробовали кок с центральным отверстием для продувки. Потом кок сняли совсем, а затем вернули на место, но форма его стала иной, более узкой в корневой части и более закругленной на вершине. Температурный режим двигателя старались улучшить, меняя форму и размеры регулирующих створок капота для выхода нагретого воздуха. На корневую часть лопастей винта надели «манжеты», работающие как вентилятор.

Поперечное V крыла увеличили. К лету 1939 г. нарастили роговой компенсатор руля направления. Затем хорду киля удлинили, увеличив его площадь. Гаргрот за кабиной продолжили назад, так что он стал переходить в форкиль. Всё это улучшило путевую устойчивость.

В конце 1939 г. опытный образец истребителя перевезли на аэродром Лэнгли-филд, где находилась большая аэродинамическая труба NACA. В неё машину запихнули целиком. Продувка показала, что оперение нуждается в дальнейшей доработке. При горизонтальном положении фюзеляжа стабилизатор оказывался в аэродинамической тени от крыла, и рули высоты теряли свою эффективность.

С учётом рекомендаций аэродинамиков конструкторы ещё раз переделали оперение. Стабилизатор подняли вверх, разместив на корневой части киля. Вертикальное оперение сдвинули назад, при этом как бы повернув. Руль направления, ранее явно наклонённый вперёд, стал располагаться почти вертикально. Внизу его немного подрезали, укоротив заодно хвостовой кок. Это сделали для того, чтобы они не мешали выпуску и уборке посадочного гака.

Гаргрот в задней части стал повыше, а форкиль — более выраженным. Кроме того, воздухозаборник карбюратора теперь выступал из переднего кольца капота мотора. Радиомачту переместили на гаргрот за кабиной, сильно наклонив её вперед.

В таком виде XF4F-3 сочли пригодным как эталон для серийного производства, решение о котором приняли ещё в августе 1939 г. Этот самолёт списали после катастрофы в декабре 1940 г. Комиссия пришла к выводу, что был виноват лётчик, по ошибке перекрывший бензокран вместо выпуска закрылков. Но соседствующее расположение двух похожих кранов разного назначения являлось грехом конструкторов…

8 августа 1939 г. фирма «Грумман» получила контракт на выпуск 54 истребителей. К серийному производству F4F-3 на заводе в Бетпейдже начали готовиться осенью того же года. Первый серийный экземпляр был готов в январе 1940 г., но никогда не летал — его использовали как планер для статических испытаний. Они проходили на «Нэйвел эйркрафт фэктори» в Филадельфии и подтвердили необходимый уровень прочности.