После того, как прочность самолета достигла запланированной величины, было дано добро на совершение на прототипе фигур высшего пилотажа. Заводские испытания самолета продолжались с 18 сентября по 12 октября 1940 года. Прототип выполнил комплекс фигур высшего пилотажа, а также совершил пикирование на скорости до 650 км/ч.
На этот раз в НИИ ВВС быстро согласились на передачу самолета на государственные испытания, которые начались 13 октября 1940 года. Третий прототип в целом оказался заметно лучше первых двух машин, хотя и у него было что улучшать. В частности, по-прежнему, отмечался перегрев масла, требовалось доработать пневматическую систему и шасси. Доделки требовало и вооружение самолета. 16, 17 и 19 октября самолет проводил опытные стрельбы, в ходе которых отмечался отказ оружия. Главной причиной отказа была ненадежная работа механизма досыла патрона у пулеметов. Однако этот недостаток удалось оперативно устранить, и 24 октября самолет вернулся на аэродром, полностью отстрелявшись.
Военных очень беспокоило отсутствие на самолете радиостанции. Они требовали, чтобы радиостанцию установили на самолете еще во время испытаний, в то время как конструкторы полагали оснастить самолет радиостанцией позднее. Нежелание устанавливать радиостанцию на самолет во время испытаний станет понятным, если учесть, что масса самолетной радиостанции в то время достигала 50 кг.
Спор был решен 1 января 1941 года, когда правительственным распоряжением вводилось обязательное оснащение серийных самолетов радиостанцией РСИ-4. Опасения военных полностью подтвердились — несколько сотен первых серийных машин радиостанцию не получили.
В протоколе, подписанном техническим советом НИИ ВВС под председательством генерала А.И. Филина, сообщалось, что пробы вооружения, пикирование со скоростью до 635 км/ ч, вход и выход из штопора, а также пилотирование прошли успешно.
Тем не менее, самолет нуждался в доводке. Известный список недостатков разделили на две части: серьезные недостатки и частные недочеты. Технический совет поставил, что без устранения следующих недостатков, самолеты не должны поступать в боевые части:
— Усиление створок шасси и каркаса фонаря кабины
— Установка новых колес шасси
— Доработка двигателя, прежде всего решение проблемы с перегревом масла
— Установка дополнительного оснащения, прежде всего радиостанции.
Третий прототип успешно прошел государственные испытания, а рекомендация к серийному производству самолета была получена еще в начале 1940 года.
Кроме работы над тремя прототипами И-26, ОКБ Яковлева по собственной инициативе работало над другими вариантами этого самолета.
УТИ-26-1 представлял собой двухместный учебный вариант самолета. Его проектирование началось 25 января 1940 года. Официальное одобрение проект получил 4 марта 1940 года. Однако при этом было приказано переработать самолет в двухместный штурмовик, вооруженный пулеметом, защищающим заднюю полусферу. Масса самолета при этом должна была сильно возрасти, что потребовало коренных конструктивных переделок, однако Яковлев сумел добиться того, чтобы машина проходила как легкий двухместный учебный самолет. Испытания продолжались с 23 июля по 25 августа 1940 года, однако самолет не понравился военным. Их больше привлек самолет И-26-П, который позднее пошел в серию как Як-7.