Компетентные органы провели «расследование», посадили в тюрьму виновных и невиновных, но работа по И-180 не прервалась. Второй истребитель построили на том же предприятии, но в мае 1939 года КБ Поликарпова перевели на территорию московского авиазавода № 1, где продолжили испытания и доводку машины. Самолет отличался от предшественника крылом увеличенного размаха. На нем установили более надежный двигатель М-87, и в начале февраля второй И-180 передали на заводские испытания.
До 13 апреля 1939 года на самолете выполнили 23 полета, и через четыре дня машину перевезли в НИИ ВВС на аэродром Чкаловская для проведения государственных испытаний. Спустя два дня летчик Е. Г. Уляхин совершил на нем сдаточный полет, а 1 мая летчик-испытатель НИИ ВВС С. П. Супрун продемонстрировал его на воздушном параде над Москвой.
Степан Супрун в тот праздничный день так постарался преподнести гостям столицы новую машину, что после полета на ней обнаружилась деформация крыла. Испытания И-180 затянулись, а 5 сентября 1939 года он потерпел катастрофу. К тому времени на И-180 установили мотор М-88. Выполняя 53-й полет, летчик-испытатель Т. П. Сузи поднялся на большую высоту, перешел в пикирование и, не выходя из этого положения, упал на землю. Истинные причины летного происшествия так и не выяснили. Известны две версии: ослепление летчика горячим маслом вследствие разрушения маслорадиатора, размещенного под капотом двигателя, и потеря сознания из-за нарушения в работе кислородного прибора.
Конструкцию и технологию изготовления третьего экземпляра истребителя существенно упростили, и в проекте постановления Комитета Обороны «О внедрении в серийное производство модифицированных истребителей и о создании новых опытных истребительных самолетов в 1939 г.», подготовленном в июне того же года, в частности, записали:
В конце 1939-го директор Горьковского авиазавода, подводя итоги уходящего года, сообщал наркому Кагановичу:
В январе 1940 года в Москве комиссия НКАП и ВВС обсудила состояние дел по И-180 и пришла к компромиссу: для ускорения постройки третьего экземпляра истребителя не устранять часть выявленных дефектов, а шасси сохранить по типу второй машины. Тогда же обязали завод № 21 построить в феврале 10 и в марте 20 самолетов и предложили Поликарпову отработать на третьем И-180 установку приемо-передающей радиостанции.
Третий экземпляр И-180 войсковой серии внешне (за исключением капотов мотора) не изменился, но на нем установили давно обещанный двигатель М-88 Р, оснащенный редуктором с необходимым передаточным соотношением и четырьмя синхронными пулеметами, а также замками для подвески бомб.
Машину построили на Горьковском авиазаводе № 21, и ее первый полет состоялся 10 февраля 1940 г. Заводские испытания завершились, в общем, благополучно, но 25 мая самолет потерпел аварию. Летчик НИИ ВВС С. П. Супрун выполнял инспекторский полет после завершения заводских испытаний. При заходе на посадку на высоте около 1000 м Супрун убрал шасси, но затем из-за неровной работы двигателя и появившихся хлопков белого дыма из выхлопных патрубков снова выпустил их на втором развороте, приняв правильное решение садиться.