Новый самолет собрали в самые сжатые сроки, уже к 27 декабря 1939 машина была готова, а через три дня ее доставили на Центральный аэродром в Москве. Недостатки, вызванные спешкой, начали обнаруживаться еще до облета машины. Статические испытания показали, что кромка крыла выдерживает лишь 40 % от планированной нагрузки, поэтому крыло пришлось спешно усиливать прямо на аэродроме.
Исторический для самолета день наступил 13 января 1940 года. Тогда, после нескольких дней рулежек и подлетов летчик-испытатель Ю.И. Пионтковский выполнил первый полет. Длился он около двадцати минут, после чего из-за стремительного роста температуры масла пришлось приземлиться. Этот и последующий полеты показали, что, во-первых, самолет очень неплохо летает, и, во-вторых, машина нуждается в серьезной доводке. В ходе испытательных полетов Пионтковскому пришлось пятнадцать раз вынужденно садиться, всякий раз спасая прототип от аварии. 27 апреля во время сорок третьего полета счастье изменило пилоту. Самолет рухнул на землю, погребя под своими обломками пилота. Комиссия, расследовавшая причины аварии, не нашла однозначного объяснения происшедшего. Наиболее правдоподобной причиной аварии посчитали выход стоек главного шасси из замков. Вышедшие шасси выломало набегавшим потоком воздуха, что оставило в крыльях огромные прорехи. Пилоту не удалось справиться с поврежденной машиной, и самолет разбился. Однако, повторимся, это было лишь предположение.
Недостатков, которые могли вызвать аварию, было довольно много. Прежде всего самолет имел недостаточную прочность. Конструктивные расчеты были сделаны для массы 2300 кг, в то время как масса самолета в действительности составляла 2600 кг. Многие узлы оказались тяжелее, чем предполагалось изначально. Было необходимо облегчить машину, хотя бы уменьшив емкость топливных баков. Вооружение самолета состояло из пушки и четырех пулеметов. Малая механическая прочность самолета заставила отказаться на время испытаний от исполнения фигур высшего пилотажа и пикирования.
Недостаточно проработанной оказался механизм уборки шасси. На скоростях превышающих 220 км/ч, наиболее оптимальных при наборе высоты, шасси не убиралось. Чтобы убрать шасси приходилось некоторое время лететь горизонтально со скоростью 200 км/ч. Убиралось и выходило шасси рывком, что создавало риск для самолета. Замки стоек были ненадежны: убранные шасси имели тенденцию самопроизвольно выходить, а выпущенные шасси — складываться.
Неприятности доставлял и двигатель М-105П, который был еще сыроват. Плохое уплотнение системы смазки приводило к тому, что во время полетов самолет забрызгивался маслом почти до самого хвоста. Свечи приходилось менять почти перед каждым вылетом. Водяной и масляный радиатор оказались малоэффективными и негерметичными.
К длинному списку недостатков следует добавить и недоведенный винт ВИШ-52П. За три месяца испытаний на прототипе сменили пять двигателей и большое количество пропеллеров.
За месяц перед гибелью И-26-1, 23 марта 1940 года в воздух поднялся второй прототип — И-26-П. На этом прототипе планировалось устранить замеченные недостатки, прежде всего касавшиеся двигателя. Второй прототип получил пропеллер ВИШ-61А, системы водяного и масляного охлаждения приведены к норме, капот двигателя вместо четырех частей стал состоять из шести. Вместо четырех ШКАСов, на И-26-П установили только два.
Переднюю кромку крыла усилили с 5 до 8 мм, увеличили толщину обшивки верхней поверхности крыла с 2,5 до 3 мм в районе переднего лонжерона.
Заводские испытания начались 14 апреля 1940 года. Состоялся 31 полет. 26 мая второй прототип передали на государственные испытания. Однако в НИИ ВВС отказались принять машину. Причина была простая — самолет, по-прежнему, был сыроват. Кроме того, обязательную программу заводских испытаний выполнили лишь на 65 %. Однако комиссия наркомата авиационной промышленности утвердила передачу самолета на государственные испытания, определив, что характеристики машины в целом соответствуют техническому заданию.
Впрочем, многочисленные технические недостатки не могли скрыть основного достоинства самолета — его хороших летных качеств. Второй прототип показал максимальную скорость 595 км/ч.
Начало государственных испытаний должно было ускорить доводку машины, а также позволило определить годность самолета к использованию в линейных полках. Испытания начались 1 июня 1940 года и длились до 15 июня. Было проведено 52 полета общей продолжительностью 21 час 11 минут. Летные характеристики самолета были определены так: скорость у земли 490 км/ч, максимальная скорость 585,5 км/ч, время набора 5000 метров -6 минут, практический потолок 10 200 метров, дальность полета 700 км. Время выполнения виража на высоте 1000 метров — 24 секунды. При боевом развороте на высоте 1000 метров, самолет дополнительно набирал 800 метров высоты. Летчики-испытатели подтвердили, что машину могут пилотировать летчики линейных полков, имеющие среднюю квалификацию. Однако государственных испытаний самолет не прошел: было выявлено 123 недостатка, обязательных к устранению.
Другие прототипы: И-30-I и И-200 — также не прошли государственных испытаний.
25 января 1940 года началась сборка третьего прототипа: И-26-1П, которая растянулась до 17 сентября. Столь долгий срок сборки машины объяснялся, во-первых, перегруженностью конструкторского коллектива работами над первыми двумя прототипами, и, во-вторых, желанием устранить в третьей машине все недостатки, выявленные в двух первых.
Третий прототип оказался заметно лучше своих предшественников. Прежде всего он имел более прочный планер. Прочность передней кромки крыла достигла 107 %. Чтобы шасси можно было убирать на скорости 220 км/ч, давление в пневмоприводе подняли с 40 до 50 атмосфер. Испытания первых двух прототипов показали, что стреляные пулеметные гильзы и пушечная лента бьются о хвостовое оперение, этот недостаток был устранен. Одновременно боекомплект увеличили с 120 до 135 снарядов к пушке и с 380 до 750 патронов на ствол пулемета.
Были усилены детали шасси. Фонарь кабины получил резиновые амортизаторы, облегчающие открытие кабины во время полета. В конструкцию самолета внесли множество других изменений, упрощающих его эксплуатацию и техническое обслуживание.
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
