Весной 1967 года увидеть первый полет В-12 в заводской летно-испытательный комплекс съехались создатели вертолета, представители НИИ, заводов и смежных предприятий, Министерства авиационной промышленности, военные. Под марш авиаторов «Мы рождены, чтоб сказку сделать былью» мощный тягач вытащил вертолет из цеха. Он не мог там развернуться и выезжал хвостом вперед. Кто-то сказал тихо: «Плохая примета». Михаил Леонтьевич услышал это и помрачнел, он был суеверен. Пилот В. П. Колошенко развернул вертолет против ветра, порулил вправо, влево — машина слушалась. Затем он начал наращивать обороты двигателей, подготавливаясь к старту. Наконец вертолет плавно оторвался от земли и повис. И вдруг машина заплясала, начала медленно раскачиваться из стороны в сторону, затем накренилась и, не подчиняясь ручке управления, так с перекосом и пошла вниз. Когда вертолет коснулся земли, покрышки загнулись на одну сторону и колеса ударились о бетон ребордой. Одна из них сломалась, и камера с громким хлопком лопнула… Столько надежд рухнуло!
Очень скоро после неудачи Миль заболел, и недостатки системы управления В-12, обнаруженные после аварии, исправляли без него, хотя регулярно и обстоятельно докладывали обо всем Генеральному и получали в ответ указания и советы.
В этом полете был отмечен новый, неизвестный ранее вид автоколебаний типа «система управления — конструкция». Новое динамическое явление было проанализировано и под руководством М. Н. Тищенко быстро устранено путем увеличения жесткости системы управления. На концах стабилизатора появились дополнительные вертикальные шайбы.
Доработки во время госиспытаний касались преимущественно оборудования вертолета. Были установлены дополнительно к специально спроектированному автопилоту АП-44 опытный автопилот ВУАП-2, который позднее заменили на АП-34Б1, радиолокационная станция «Лоция», подвесные топливные баки и т. п. На В-12 были опробованы новые лопасти композитной конструкции: стальной лонжерон со стекпопластиковыми носовой частью и законцовкой с фольгированным сотовым заполнителем.
Наконец настал день, когда решили снова поднять машину в воздух. Опять собралось много народу, приехал и Михаил Леонтьевич. На этот раз полет прошел успешно, хоть и вытаскивали вертолет из ангара, как и в первый раз, хвостом вперед.
Громадина весом около 100 тонн поднялась с удивительной легкостью, в небе она была необыкновенно красива. В сопровождении двух Ми-10 вертолет перелетел на испытательный аэродром, откуда совершил больше ста полетов. Все запланированные испытания были закончены, началась подготовка новой машины к серийному производству.
С декабря 1967 года начались систематические подъемы В-12. Вся программа заводских испытаний была выполнена за месяц без осложнений. Осенью 1968 года В-12 поступил в ЛИИ на первый этап совместных государственных испытаний, который закончился в 1970 году дальним перелетом Москва — Ахтубинск — Москва.
В ходе государственных испытаний 22 февраля 1969 года экипаж В. П. Колошенко установил абсолютный мировой рекорд грузоподъемности, подняв груз 31 т на высоту 2350 м, а 6 августа того же года экипаж В-12 поднял груз 40,2 т на высоту 2250 м. Этот рекорд не побит до сих пор. Всего на В-12 установлено семь мировых рекордов. За установление рекорда грузоподъемности М. Л. Миль и его сотрудники получили в 1969 году второй приз Игоря Сикорского «За выдающиеся достижения в области проектирования вертолетов».
В конце октября 1970 года Государственная комиссия рекомендовала запустить вертолет в серийное производство. В мае — июне 1971 года В-12 демонстрировался на Международном салоне авиации и космонавтики в Ле Бурже под Парижем, где вертолет был признан «звездой салона». Затем последовали показательные полеты в Париже, Копенгагене и Берлине.
Собранный в 1972 году на опытном производстве МВЗ второй экземпляр В-12 целый год простоял в цехе в ожидании двигателей. 28 марта 1973 года он совершил первый подъем в воздух, а на следующий день его перегнали на летную станцию для продолжения государственных испытаний. От первого экземпляра, проходившего в это время переборку и дефектацию, второй экземпляр отличался более жесткими элементами управления и усиленными хвостовыми опорами. Заказчик неожиданно отказался принять В-12 на второй этап госиспытаний. В 1974 году все работы по доводке двух опытных машин были остановлены. Первый экземпляр В-12 остался на вечное хранение на заводе, а второй передали в Музей ВВС в Монино.