Два очередных прототипа Me 109V2 (D-IUDE, W.Nr. 759) и V3 (D-IOQY, W.Nr. 760) (Следует учесть, что в 1935 году изменилась схема обозначения прототипов. Вместо буквенного кода начали использовать буквенно-цифровой код. Поэтому, если в 1934 году были заказаны прототипы Me 109a, b и с, то испытания проходили уже самолеты под обозначением Me 109V1, V2 и V3.) поднялись в воздух в январе и июне 1936 года, соответственно. Оба самолета заметно отличались от своего предшественника. На прототипах установили двигатель Jumo 210А, что повлекло далеко идущие переделки передней части фюзеляжа. Прототипы были вооружены пулеметами MG 17, оборудованы радиостанцией, а напряжение в бортовой сети подняли с 12 до 24 В. В конструкции обоих прототипов постарались исправить недостатки, отмеченные у Me 109V1, в том числе убрали с кромки правого крыла маслорадиатор. Воздухозаборник карбюратора перенесли с передней кромки крыла на капот, что немного ухудшило аэродинамику машины.
Оба прототипа не отличались друг от друга. Правда, часто можно увидеть утверждение, что V3 был дополнительно вооружен 20-мм пушкой MG FF/M, стреляющей через вал винта. Но это, скорее всего, неправда. Прежде всего, техническое задание предполагало, что через вал винта должен был стрелять пулемет, во-вторых, пушка MG FF/M в то время еще не выпускалась, в-третьих, нет никаких документальных доказательств ее установки на Me 109V3. То, что на снимках обычно интерпретируют как ствол пушки, в действительности представляет собой вал винта, выглядывающий из-под срезанного кончика обтекателя.
Me 109V2 пролетал недолго. В апреле 1936 года самолет разбился, едва успев завершить программу испытаний в Травемюнде. Поэтому основная нагрузка легла на Me 109V3, который подвергся интенсивным испытаниям во второй половине 1936 года. Весь полученный опыт предполагалось учесть при создании четвертого прототипа — Me 109V4 (W.Nr. 878, D-IALY), который должен был стать образцом для серийного производства. Только в сентябре третий прототип совершил 30 вылетов общей длительностью 16 часов 54 минуты. Затем машину передали для испытаний надежности главного шасси (650x150 мм, фирма Argus-Bremsraeder), определенное в 200 циклов взлет-посадка.
Во время испытаний вскрылось множество недостатков самолета. Кроме так называемых «болезней детского возраста», которые в принципе можно было устранить со временем, выявилось несколько органических недостатков, которые становились очень серьезными по сравнению с усовершенствованным прототипом Не 112. Когда 21 января 1936 года Me 109V2 поднялся в воздух в первый раз, Не 112V2 уже второй месяц проходил испытания. Сравнительные испытания обоих прототипов провели в конце февраля — начале марта 1936 года в Рехлине. Главные испытания проходили 26–27 февраля и 2 марта. В ходе пробных полетов прототип Не 112 разбился. Быстро представить замену Хейнкель не смог, так как Не 112V3 находился в полуразобранном состоянии на заводе, где проходил коренную модернизацию. Самолету укорачивали крылья, меняли систему охлаждения, устанавливали новый капот, новую систему отвода выхлопных газов, застекляли фонарь кабины, меняли верхнюю часть фюзеляжа, увеличивали площадь киля, устанавливали пулеметы в фюзеляже, а также устанавливали трехлопастной винт. Все эти переделки должны были радикальным образом улучшить характеристики самолета. Но, несмотря на то, что Хейнкель всех поставил в известность о результатах переделки, сроки поджимали. Поэтому сравнительные испытания были завершены.