В сентябре 1939 года им был предложен проект «экспериментального истребителя» ЭИ необычной компоновки – двигатель предполагалось разместить позади оснащенной дверью автомобильного типа герметичной кабины пилота, воздушный винт находился за двигателем посередине фюзеляжа. Хвостовая часть самолета соединялась с центральной посредством проходящего через редуктор двигателя стального вала. Проект был отклонен в связи с рядом явных недоработок – в заключении экспертной комиссии указывалось в числе прочего, что автор не обеспечил жесткость конструкции и не предусмотрел решение проблем, которые выбранная схема создавала для размещения систем управления хвостовым оперением. Тогда Беляев предложил видоизмененный проект – ЭОИ (экспериментальный одномоторный истребитель).
ЭОИ представлял собой самолет двухбалочной схемы с толкающим винтом, приводимым двигателем М-105ПТК (мощностью 1000 л.с. на высоте 8500 м), размещенным как и в ЭИ, позади кабины пилота. Вооруженный двумя 23-мм пушками истребитель должен был, согласно расчетам, развивать на высоте 10 тыс. м скорость до 700 км/ч. Самолет имел мощное бронирование, защищавшее летчика от огня как при лобовой атаке и сзади, так и от обстрела с земли. Несмотря на то что самолет был признан достаточно сложным для серийного выпуска, все же было принято решение о постройке опытного образца. Однако в июле 1941 года после начала войны был отдан приказ о прекращении постройки самолета (готовность которого составляла уже около 90 %), а в октябре он был уничтожен при эвакуации.
Более традиционным являлся истребитель И-28, разработанный Владимиром Яценко. Один из наиболее опытных советских авиационных специалистов, 47-летний инженер, ранее работавший в КБ Поликарпова, в июне 1939 года представил на испытания самолет, названный «первым советским скоростным истребителем». В конструкции широко использовалось дерево. Вооружение состояло из двух 7,62-мм и двух 12,7-мм пулеметов или же 20-мм пушки ШВАК в сочетании с двумя пулеметами. Самолет разрабатывался под 1700-сильный двигатель М-90, с которым скорость истребителя должна была, по расчетам, превысить 650 км/ч. Однако из-за отсутствия этого двигателя Яценко был вынужден установить мотор М-87, с которым новый истребитель развил скорость более 560 км/ч. Хотя приемная комиссия отметила ряд недостатков самолета, все они были признаны устранимыми, и практически сразу же было принято решение о постройке серийной партии из 30 машин. Однако, кроме двух опытных образцов, было собрано только пять, которые так и не поднялись в воздух. Выпуск цельнодеревянного самолета на авиазаводе № 292 давался с трудом, а после того как опытный самолет в июле 1939 года потерпел аварию, был и вовсе остановлен. В июне 1940 года все работы по самолету были прекращены.
Конечно, необходимость создания боевого самолета в кратчайшие сроки не способствовала кропотливой работе над совершенствованием машин нетрадиционных схем. Отсутствие заинтересованности к проектам, в которых в качестве силовой установки предусматривалось использование моторов с воздушным охлаждением, также в значительной мере можно объяснить сложившимся к 1940 году, по выражению наркома авиационной промышленности А. Шахурина, «чрезмерным увлечением двигателями водяного охлаждения» руководства ВВС. В то же время в рамках конкурса был создан и ряд проектов под считавшийся наиболее многообещающим двигатель КБ Климова М-105 (являвшийся дальнейшим развитием М-100).
Одним из наиболее перспективных мог стать проект, разработанный заместителем Поликарпова, позже – главным конструктором авиазавода № 21 М. Пашининым. В конструкции самолета И-21 имелось много общего с И-16, что позволяло безболезненно перевести производство на новый тип. В то же время в целом это была машина нового поколения. Одной из главных особенностей проекта являлось крыло нового типа, обеспечивающее улучшение скоростных характеристик при пикировании. Пашинин одним из первых установил на своем истребителе каплевидный фонарь, улучшавший обзор задней полусферы и на большинстве как советских, так и зарубежных истребителей появившийся только в 1942/43 году. Вооружение должно было включать 20-мм или 23-мм пушку и два 7,62 -мм пулемета. Хотя заявленная конструктором расчетная скорость 680 км/ч оказалась существенно завышенной, тем не менее фактические показатели самолета оказались достаточно высокими – была достигнута скорость у земли 488 км/ч и более 570 км/ч на высоте, скороподъемность была равна 21 м/с.