«1. Предъявленный на государственные испытания 1-й экземпляр… И-301 с мотором М-105П их не выдержал…
2. Самолёт отвечает заданным лётным данным по постановлению КО № 243, за исключением большой посадочной скорости 140 км/ч, вместо заданной 110–120 км/ч.
3. Признать, что… И-301 представляет несомненный интерес для ВВС, как в части своего материала — упрочнённая древесина, мощного вооружения, так и в части максимальной скорости — 605 км/ч.
4. Необходимо в кратчайший срок построить второй экземпляр этого самолёта, устранить на нём основные дефекты, выявленные при испытаниях первого экземпляра, довести стрелковое вооружение, провести заводские испытания по полной программе и передать его на госиспытания…
5. Признать целесообразным немедленно начать подготовку серийного производства… И-301 с М-105П, обеспечив выпуск 25–30 самолётов для прохождения войсковых испытаний в 1940 г. Необходимо просить НКАП особо обратить внимание на этот самолёт в части быстроты его доводки и постройки войсковой серии с устранением дефектов…»
Среди подробно перечислявшихся далее недостатков отмечались высокая температура в пилотской кабине, плохой обзор из неё (из-за низкого качества отечественного плексигласа), перегрев воды и масла при наборе высоты, недостаточная продольная устойчивость, слишком большая нагрузка на основные стойки шасси при взлёте, отсутствие посадочной фары и радиостанции.
Машину отправили в Химки на переделку. После доработки заводские испытания первого образца И-301 продолжили, но в августе 1940 г. он потерпел аварию. К этому времени было совершено 79 полётов общей продолжительностью свыше 32 ч. 11 августа машину подготовили к полёту лишь к вечеру. Около 19 часов Никашин вырулил на старт. Полёт проходил нормально, и через полчаса истребитель зашёл на посадку против солнца. Именно это обстоятельство в совокупности с малыми размерами заводского аэродрома привело к грубой посадке с поломкой шасси.
Первый образец И-301 потом отремонтировали, а попутно внесли некоторые изменения в планер и оборудование. В частности, на машине появился радиополукомпас. На этом самолёте проводили испытания на пикирование и отстрел вооружения. Машина летала до 4 января 1941 г., когда в полёте расплавились коренные подшипники мотора. Лётчик из НИИ ВВС совершил посадку на «брюхо», но истребитель получил тяжёлые повреждения и более не восстанавливался.
Постройка второго образца задержалась до октября 1940 г. Поскольку заводские испытания он не прошёл, то и на государственные его не допустили. Зато в ноябре на этом самолёте впервые опробовали в полёте вооружение. Надо сказать, что первые лётные испытания магазинной пушки ПТБ-23 конструкции Н. Б. Таубина и М. Н. Бабурина на будущем Ил-2 показали её непригодность для эксплуатации на самолёте из-за чрезмерной отдачи при выстреле. Доработанный вариант, предназначенный для установки в развале цилиндров мотора М-105П, получил обозначение МП-6. По результатам испытаний на втором И-301 в ноябре 1940 г. МП-6 внедрили в серийное производство сразу на двух заводах (хотя на вооружение официально не приняли). Таубина и Бабурина наградили орденами Ленина.
Но реально МП-6 применения на серийных истребителях не нашла. Весной 1941 г. на подмосковном аэродроме Монино провели на штурмовиках Ил-2 сравнительные лётные испытания пушек МП-6 и ВЯ-23 (последнюю сконструировали Волков и Ярцев). ВЯ-23 показала явные преимущества и была принята на вооружение. Возможно, это обстоятельство в совокупности с неудачами, преследовавшими коллектив ОКБ-16 при разработке пулемёта АП-12,7, стали причиной ареста Таубина и Бабурина 16 мая 1941 г.