Чтобы добиться некоторых параметров, следовало внести в конструкцию самолета радикальные изменения. Фюзеляж перепроектировали с нуля, сделав его цельнодеревянным. Отказались от металлической рамы в средней части. Фюзеляж с работающей обшивкой получил новое хвостовое оперение. Горизонтальный стабилизатор выполнили в виде отдельной цельнометаллической детали.
Кабину пилота отодвинули назад, фонарь сделали выше и шире, что улучшило обзор. Крыло сохранило прежнюю геометрию, но в его конструкцию внесли ряд изменений. В главном лонжероне центроплана в месте прохода через туннель радиатора стенки заменили решетчатой конструкцией. В консолях деревянный лонжерон из дельтадревесины заменили металлическим: стенки из дюраля, а полки из хрома. Появилась блокировка закрылков, делавшая невозможной их самопроизвольный выход, обычное явление у серийных МиГов-3.
Горизонтальное оперение походило на то, что стояло на позднесерийных МиГах-3, но его подняли на 200 мм и сделали новое крепление к фюзеляжу. Этот шаг был вынужденным, чтобы освободить место для убирающегося хвостового колеса.
Главное шасси оснастили меньшими по размеру (600x180) колесами, то есть вернулись к размеру, стоявшему на МиГе-1. Систему уборки шасси модифицировали, изменилась и конструкция створок колесных ниш.
Для самолета МиГ-3У (И-230 или «проект Д») выбрали двигатель АМ-35А с редуктором 0,732. Этот двигатель был унифицирован с АМ-38Ф, что увеличило его массу на 40 кг по сравнению со «старым» АМ-35А. Двигатель вращал винт АВ-5Л-126А диаметром 3,2 м. Запас топлива в стандартном варианте находился только в фюзеляжном топливном баке. Это был мягкий бак, установленный перед кабиной. Его емкость составляла 440 л. Имелась возможность установить в центроплане два дополнительных бака общей емкостью 210 л.
Водяной радиатор ОП-31C находился в туннеле внутри фюзеляжа. Воздухозаборники находились на передней кромке крыла, а выпускное отверстие под центропланом. Через этот же туннель отбирался воздух для двигателя. Снаружи под туннелем водяного радиатора находился туннель для маслорадиатора типа «533».
Двигатель АМ-35А был оснащен системой разведения масла бензином, облегчавшую пуск двигателя в мороз, хотя во время испытания эту систему никогда не включали.
Вооружение И-230 было типичным для советских истребителей того времени: пара пушек ШВАК калибра 20 мм с боекомплектом 150 выстрелов на ствол. Пушки находились над двигателем. Для наведения на цель служил прицел ПБП-1А. Можно было стрелять сразу из двух пушек, или только из одной. Самолет оснащался передатчиком РСИ-3 увеличенного радиуса действия и приемником РСИ-4. В проекте предусматривалась возможность установки радиокомпаса.
Благодаря ряду мер массу И-230 удалось сократить на 150 кг.
Сборку первого прототипа завершили в мае 1943 года. 30 мая пилот В.Н. Савкин совершил на истребителе первый полет. Машина получила обозначение Д-01. С июня по август построили еще пять машин с номерами от Д-02 до Д-06. Самолет Д-04 отличался от всех увеличенным с 10,2 до 11,1 м размахом крыла. Соответственно, площадь крыла возросла с 17,44 до 18,22 м². Для заводских и государственных испытаний предназначался только самолет Д-01. Заводские испытания завершились 23 июля 1943 года. В ходе испытаний состоялось 28 полетов общей продолжительностью 13 часов 26 мин. В ходе испытаний выявились типичные для самолетов с радиальными двигателями проблемы с перегревом и системы смазки.
23 июля самолет передали в распоряжение НИИ ВВС, где в период с 28 июля по 6 августа проводились государственные испытания. В рамках этих испытаний самолет совершил 23 полета в том числе 10 высотных общей продолжительностью 15 часов 26 минут. Летчиком-испытателем программы был В.И. Хомяков, а инженером-инспектором капитан А.С. Розанов.
Результаты, показанные во время испытаний, оказались весьма неплохими. Максимальная скорость на высоте 7000 м составляла 656 км/ч. Практический потолок составил 11900 м, хотя его удавалось набрать не сразу, а в несколько приемов, в противном случае перегревался двигатель.
Маневренность самолета на высоте 8000 м не производила особого впечатления, но следует помнить, что это был перехватчик, вовсе не предназначенный для ведения маневрового боя. Полный вираж в левую сторону он совершал за 37 секунд, а вправо - за 35 секунд. Так называемый боевой разворот в обе стороны самолет совершал за 22 секунды, набирая при этом 400-450 м высоты.
В целом самолет получил положительную оценку. Он был прост в управлении, единственным его недостатком оставалась сложность посадки.
Кабина пилота получила положительную оценку. Но самолет имел одну неприятную особенность. После каждого полета его фюзеляж был буквально залит маслом. Масло протекало через уплотнители редуктора, когда двигатель работал на полном форсаже.