В конце апреля самолет начали готовить к первомайскому воздушному параду над Красной площадью. Отполированный "рояль" вишневого цвета (за превосходную внешнюю отделку И- 301 "роялем" прозвали механики) эффектно продемонстрировал 1 Мая Никашин. Заводские испытания закончили 12 апреля, и вскоре машину предъявили на государственные испытания, которые проводились в НИИ ВВС с 15 по 27 июня 1940 г. Ведущими летчиками на И-301 назначили – П.М.Стефановского и С.П.Супруна. Никашин ознакомил их с особенностями техники пилотирования и выпустил в первый полет. Погода полетам благоприятствовала, серьезных отказов матчасти не произошло, и уже через четыре дня Таракановский смог подвести предварительные итоги, в частности определить максимальную скорость горизонтального полета – получилось 585 км/ч. Начальник бригады испытателей рассчитывал получить больше. Сравнительный анализ полетов И-301 с уже испытанным яковлевским И-26 показал, что изделие из Химок при том же двигателе имеет меньшую границу высотности. Причину определили быстро, опять же путем сравнения: площадь входных отверстий всасывающих патрубков И-301 оказалась меньше, чем на И-26. Доложили Лавочкину – он дал согласие на проведение доработки, прислал рабочих и материалы для изготовления новых патрубков. За ночь машину доработали, а утром Супрун 40 минут гонял ее в небе на разных режимах. Приведенная к условиям стандартной атмосферы максимальная скорость теперь составила 605 км/ ч.
В ходе госиспытаний на И-301 выполнили 42 полета. Конечно, машина была сырой – меняли покрышки колес шасси, водорадиатор и карбюраторы, устраняли течь в системе охлаждения мотора и утечки воздуха из пневмосис- темы, но серьезных отказов, которые могли бы замедлить испытания, не было. В доработках активное участие принимала заводская бригада рабочих под руководством ведущего инженера П.Г.Питерина. Подобно И-26, И-301 госиспытания не прошел, но как И-26 по результатам госиспытаний И-301 рекомендовали к запуску в серию.
"Самолет И-301 конструкции инженеров Лавочкина, Горбунова, Гудкова был предъявлен на государственные испытания с недоведенным вооружением и не испытан на штопор, пикирование и высший пилотаж… На дублере (2-м экземпляре) должны быть сняты ограничения в скорости пикирования и устранены недостатки, выявленные госиспытаниями 1-го экземпляра. Считать целесообразным построить серию самолетов И-301 в количестве 25-30 экземпляров для прохождения войсковых испытаний в 1940 г. и немедленно начать подготовку к серийной постройке самолетов… Считать необходимым просить народного комиссара авиационной промышленности Шахурина о повышении внимания со стороны НКАП в деле доводки, испытания и постройки самолета И-301."
Недостатков по И-301 нашлось достаточно: жара в кабине, плохой обзор вперед и в стороны из-за некачественного остекления фонаря, перегрев воды и масла при наборе высоты (в отношении нагрева воды и масла И-301, все- таки, до И-26 было очень далеко), большие нагрузки на ручке от элеронов и руля высоты, недостаточная продольная устойчивость, предельные нагрузки на опоры шасси при взлете, замечания в отношении удобства эксплуатации истребителя на полевых аэродромах; "наличие отсутствия" посадочной фары и радиостанции.
Доработки по первому экземпляру завершили к 12 августа, машину в воздух опять поднял Никашин. К сожалению, Алексей Иванович поддался на уговоры представителей 301-го завода сэкономить день и полетел уже под вечер. Сам полет прошел успешно, но посадку пришлось выполнять против заходящего солнца; в этих условиях Никашин не смог правильно определить высоту на выравнивании – шасси не выдержало удара при грубой посадке, стойки основных опор пробили обшивку центроплана, узел крепления костыля также сломался. Поломка первого опытного экземпляра сорвала сроки предъявления истребителя на повторные госиспытания, но все же поломка – не катастрофа. В Химках удвоенными темпами велись работы по ремонту первого И-301 и постройке "дублера". К октябрю ожидалось, что обе машины будут готовы к полетам. Как известно, беда не приходит одна: в сентябре завод посетили нарком А.И.Шахурин и начальник ВВС РККА Я.В.Смушкевич. Они осмотрели оба истребителя, после чего на совещании с руководством КБ объявили о необходимости увеличения дальности полета с 600 км до 1000 км. Это была действительно беда – дополнительное топливо ухудшало летные характеристики самолета, увеличивало нагрузку (и без того предельную) на опоры шасси. Кроме того, это самое топливо требовалось где-то разместить, что на уже построенных самолетах сделать совсем не просто. Пришлось в отъемных частях крыла оборудовать два кессон-бака. В кратчайшие сроки эту работу проделали лучшие инженеры и рабочие КБ под руководством Ю.Б.Струцеля. И-301 с тремя топливными баками известен так же, как ЛаГГ-1.
Облет отремонтированного первого И-301 в НИИ ВВС состоялся 25 октября. Теперь можно было летать на пикирование и отстрел вооружения; отремонтированный И-301 первым из советских одномоторных истребителей той поры получил серьезный навигационный прибор – радиополукомпас, работу которого также предстояло проверить (на серийные машины, к сожалению, РПК не устанавливался). Первый прототип успешно летал до 4 января 1941 г., когда в полете разрушились подшипники мотора. Летчик смог посадить машину на брюхо, однако самолет получил значительные повреждения. Его решили не ремонтировать и перенести проведение всей программы испытаний на "дублер", который начал летать практически одновременно с отремонтированным И- 301-1. На "дублере" Никашиным был выполнен чрезвычайно важный полет на дальность по маршруту Москва-Курск- Москва протяженностью 840 км. Слитый после полета 15-процентный остаток бензина обеспечивал требуемую 1000-км дальность полета.
