Новый двигатель поставили на самолет в конце января 1939 года, а 12 февраля самолет, в кабине которого снова сидел Роберт Холл, поднялся в воздух с заводского аэродрома в Бетпейдже. В ходе второго полета, совершенного утром того же дня, отказал топливный насос, что заставило пилота совершить аварийную посадку. Но это была не единственная проблема мотора. Серьезные трудности возникали со включением второй ступени наддува. С одной стороны, вторая ступень заметно улучшала характеристики двигателя на высотах больше 10000 фт/ 3048 м, но с другой стороны, приводила к перегреву двигателя. Кроме того, воздух, выходящий из первой ступени наддува следовало охладить перед подачей во вторую ступень, иначе воздух нагревался до такой степени, что при смешивании с бензином происходило самовоспламенение. Это потребовало добавить в конструкцию двигателя промежуточный радиатор. Отмечались трудности и при полете на больших высотах. В разреженном воздухе топливо имело тенденцию к испарению в карбюраторе. Чтобы устранить эту проблему пришлось полностью герметизировать топливную систему.
После первых заводских полетов в Бетпейдже, 7 марта самолет перелетел в Анакостию для квалификационных испытаний. В их ходе выяснилось, что самолет недостаточно устойчив на курсе и плохо слушается рулей. В мае машину вернули на завод, где недостатки устранили. На 1? увеличили возвышение крыльев, горизонтальное оперение подняли на полметра, перенеся его с фюзеляжа на основание. Площадь горизонтального оперения увеличили, а руль направления уравновесили. Площадь элеронов сократили. Антенную мачту перенесли с капота за кабину, одновременно, наклонив ее вперед, чтобы увеличить длину антенны. В конце мая самолет прибыл в Филадельфию, чтобы пройти пробное катапультирование и посадку на палубу, а также совершить несколько ночных полетов. Во время этих испытаний самолет развил скорость до 537 км/ч на высоте 20500 фт/ 6248 м. Это было на 6 км/ч больше, чем оговаривалось в контракте. Кроме того, это было значительно больше, чем у конкурента Brewster F2A-2. Посадочная скорость, составлявшая 109 км/ч, была удовлетворительная. Самолет отличался хорошими летными качествами. В штопоре после десяти витков контроль за самолетом удавалось вернуть в ходе 0,5–0,75 витка, при этом самолет терял всего 500 м высоты. При сваливании самолет начинал слушаться рулей, потеряв всего 120 метров.
Несмотря на то, что в конструкции самолета еще имелись недостатки, достоинства машины в сочетании с настойчивостью Груммана привели к тому, что в августе 1939 года фирма получила контракт на постройку трех самолетов, обозначенных как F4F-3. Но машина еще нуждалась в доработке. Постоянно сказывались проблемы с перегревом мотора, не удалось обеспечить достаточной устойчивости самолета на курсе. В конце 1939 года самолет передали в NACA (National Advisory Committee for Aeronautics) с целью испытать самолет в аэродинамическом тоннеле. Тоннель находился в Лэнгли-Филде, штат Вирджиния. По результатам испытаний, специалисты NACA предложили оснастить самолет продольным стабилизатором перед килем, а также увеличить размах горизонтального стабилизатора на 500 мм. Охлаждение двигателя пытались исправить с помощью различных коков винта, створок на капоте и накладок у основания лопастей. Наддув, показавший низкую надежность на первых этапах испытаний, со временем был исправлен производителем и перестал беспокоить конструкторов.