Первый выпущенный для англичан серийный «Мустанг» (AG 345? 73-3098) облетал 23 апреля 1945 года Луи Уэйт. 1 мая англичане приняли машину. Первоначально самолет не имел камуфляжа, потом его выкрасили в соответствии с правилами RAF. В период с 1 по 23 мая Чилтон 17 раз поднимался на самолете в воздух, желая убедиться в надежности системы охлаждения и устойчивости работы карбюратора. По результатам испытаний воздухозаборник сдвинули вперед и вверх, к самому коку винта. В отличие от прототипа, у серийных машин фонарь стеклили бронестеклом толщиной 1,5 дюйма (38,1 мм). В соответствии со спецификацией самолет оснащался самогерметизирующимися топливными баками, имел стальную противопожарную переборку толщиной 0,25 дюйма (6,35 мм) за двигателем и выгнутый воздухозаборник радиатора, сделанный из стального листа той же толщины. Бронезащита кабины состояла из бронеспинки пилотского кресла толщиной 5/16 дюйма (7,94 мм) и бронированного изголовья кресла толщиной 7/16 дюйма (11,11 мм).
Несмотря на то, что самолет пошел в серию, многие детали изготавливались вручную, или использовались детали, оставшиеся после выпуска учебных самолетов АТ-6.
Облет второго серийного самолета (AG 346, 73-3099) Чилтон закончил 1 августа 1941 года. Все было готово для развертывания крупносерийного производства. Приемкой со стороны англичан заведовал командир эскадрильи (позднее командир крыла) Майкл Н. Кроссли, ас-истребитель, летавший во время «битвы за Англию» на «Харрикейне» и сбивший девять немецких самолетов. Вторая серийная машина стала первым «Мустангом», отправленным англичанам. Самолет разобрали, уложили в контейнер и погрузили на судно, которое через Панамский канал и Атлантику шло в Англию.
24 октября 1941 года истребитель прибыл по назначению, был собран и направлен на испытания в Боскомдаун. Самолеты AG 345 и AG 347 оставались на заводе до марта 1942 года, подвергаясь различным испытаниям. В сентябре было принято шесть следующих серийных машин, начиная с AG 348 и далее. Одновременно, это были последние машины с коротким воздухозаборником карбюратора. Самолет AG 348, вероятно, стал первым «Мустангом», переданным позднее Советскому Союзу. Дальше серийный выпуск набирал обороты и до конца 1941 года успели произвести 138 истребителей. Еще 84 машины собрали в январе 1942 года. 13 февраля 1942 года закончил приемные испытания самолет AL 958 — последний из трехсот заказанных машин второй серии. Машины второй серии почти не отличались от первых истребителей, хотя и имели другое обозначение — NA-83. Англичане продолжали называть самолеты «Mustang I». Выпуск истребителей «Mustang I» закончили в июне 1942 года.
Всего в Великобританию по морю отправили 319 самолетов, до адресата дошло 289 машин. Остальные самолеты погибли. 12 машин ушло на дно вместе с торпедированным транспортом «Ocean Venture» 8 января 1942 года, еще восемь самолетов утонули с другим транспортом. Четыре самолета (AG 348, AG 352, AG 353 и AG 354) передали Советскому Союзу. После испытаний их, вероятно, использовали на Карельском фронте.
Первой эскадрильей, оснащенной истребителями «Mustang I», стала 26-я эскадрилья RAF, дислоцированная в Гетвике. Первые самолеты прибыли туда в феврале 1942 года. Первое боевое задание «Мустанги» выполнили в мае того же года. Так как летные качества самолета резко ухудшались на высотах более 6000 метров, самолеты использовали в составе Сил взаимодействия с армией (Army Cooperation Command). «Мустанги» использовались в качестве самолетов непосредственной поддержки сухопутных войск, а также в качестве разведчиков. Для проведения разведки самолеты оснащались фотокамерой F-24, смонтированной за изголовьем кресла. До конца 1942 года «Мустанги» поступили на вооружение 15 эскадрилий RAF, дислоцированных в Великобритании.
После того, как были готовы два прототипа ХР-51, USAAF провел испытания полученных образцов в период с 8 октября по 22 декабря 1941 года. Главными конкурентами «Мустанга» были Curtiss XP-46 (новая модификация Р-40 — Р-40Е «Warhawk»), Vultee P-66 «Vanguard», P-43A-1 «Lancer», а также новые модификации серийных Р-38 «Lightning» и Р-39 «Airacobra». Официальные результаты сравнительных испытаний представлены в таблице.