Двигатель М-82 получил четырехстворчатый кожух типа NACA. Выхлопные газы отводились через два коллектора по бокам фюзеляжа. Под капотом находился туннель с двумя маслорадиаторами ВМС-8. Планировалось установить винт АВ-5-127А диаметром 3 м.
Топливо помещалось в четырех самогерметизирующихся баках общей емкостью 488 л.
Расчеты показывали, что с новым двигателем самолет сохранит прежние скоростные характеристики, при этом ожидалось улучшение скороподъемности. Предполагалось, что на высоте 6500 м самолет разовьет 630 км/ч, а у земли скорость будет меньше на 100 км/ч. Высоту 5000 м самолет должен был набирать за 4,9 мин, что считалось отличным результатом. В проекте все выглядело весьма неплохо.
Вооружение самолета по проекту состояло из трех синхронизированных пулеметов УБС калибра 12,7 мм с боекомплектом 200 выстрелов на ствол, и двух синхронизированных пулеметов ШКАС калибра 7,62 мм с боекомплектом 650 выстрелов на ствол.
Первый прототип МиГа-9 № 6501 закончили к лету. Заводские испытания планировалось проводить на аэродроме НИИ ВВС. Первый полет состоялся 23 июля, пилотировал самолет Н.И. Марцелюк. Спустя месяц, а точнее 25 августа, начались испытания второго прототипа № 6502. Пилотом самолета был А.П. Якимов. Одновременно с испытаниями шла подготовка выпуска предсерийной партии. В ходе испытаний с обоих прототипов сняли оба ШКАСа.
Поскольку расчетные характеристики МиГ-9 на низких высотах (а боевые действия велись именно на этих высотах) значительно превосходили характеристики МиГа-3, авиация настоятельно требовала быстрее завершить заводские испытания и перейти к испытаниям государственным. Однако результаты заводских испытаний оказались неутешительными. На высоте 5000 м самолет едва развивал 540 км/ч. Причин такой ситуации было две. Во-первых, у М-82 были недоработанные карбюраторы, которые не позволяли мотору развить паспортную мощность, кроме того, на самолеты установили винты АВ-5Л-156 вместо проектных АВ-5-127А. Во-вторых, герметичность кожуха двигателя была недостаточна, и двигатель вызывал значительное аэродинамическое сопротивление.
В НКАП начали нервничать, и 11 сентября приказом № 925 начальнику ЦАГИ С.Н. Шишкину поручили к 15 сентября подобрать для самолета подходящий винт, а также дать теоретическое обоснование характеристик истребителей и бомбардировщиков с двигателями М-82. Одновременно, к 25 сентября следовало представить более удачный вариант капота. Мотор М-82 планировалось поставить не только на МиГ, но и на ЛаГГ и Як. Сроком окончания работ над самолетом определили 20 октября.
В работе над капотом должны были помочь результаты обдува прототипа № 6501 в аэродинамическом туннеле Т-104 в ЦАГИ. Испытания показали, что капот действительно сильно ухудшает аэродинамику самолета. Одновременно выяснилось, что требуется все же спроектировать новый фюзеляж, так как фюзеляж с фанерными обтекателями не годится. Работ не удалось закончить в связи с начавшейся эвакуацией завода № 1. Из планированной серии построили только три машины №№ 6503, 6504 и 6505. В Куйбышеве продолжались испытания второго прототипа. В январе 1942 году на нем начал полеты В.Н. Савкин.
В ходе испытаний выяснилось, что двигатель у самолета не перегревается, чем выгодно отличался от рядных двигателей, для которых перегрев был скорее нормой, чем недостатком. В штопоре МиГ-9 вел себя значительно лучше, чем МиГ-3. ОКБ-155 в Куйбышеве провело сравнительно немного времени и уже весной вернулось в Москву. Тогда на всех пяти имевшихся МиГах-9 произвели необходимую переделку.
Армейские испытания МиГа-9 проводились в 34-м ИАП из состава 6-го ИАК ПВО. В начале июня туда передали самолеты №№ 6503, 6504 и 6505. В ходе испытаний самолеты совершали обычные боевые вылеты. Самолет № 6502 передали в распоряжение авиационной инспекции ВВС, откуда он позднее попал в состав ГвИАП 6-го ИАП ПВО. 7 сентября этот самолет оказался в НИИ ВВС, где должен был пройти государственные испытания. Во время госиспытаний самолет был вооружен только крупнокалиберными пулеметами УБ. Ход испытаний, длившихся два месяца, отслеживал В.Е. Голофастов. В ходе испытаний самолет несколько раз возвращали в ОКБ-155 для устранения недостатков двигательной установки.