在东线战争爆发之前，德国空军已经以同属轴心国的罗马尼亚的布加勒斯特和新近被占领的波兰的克拉科夫为基地，开始对苏联境内进行侦察飞行。德国空军认为其容克-86P侦察机可以在苏联战斗机的升限之上安全飞行。当一架容克-86P在苏联境内神秘消失的时候，德国空军依然盲目乐观地认为这只是机械故障或者迷航导致失事。当更多的容克-86P消失后，德国空军终于意识到，它们是被打下来的。事实上，最后一架容克-86P是被米格-3迫降的。迫降后，德国飞行员只来得及破坏机上的侦察照相机，但苏联最新的米格-3战斗机可以上升到12000米高空作战的惊人事实终于传到了德国。
纳粹德国背弃刚和苏联签订不久的互不侵犯协议，于1941年6月22日发动以巴巴罗萨作战为代号的突然袭击。巴巴罗萨作战爆发前夕，斯大林拒绝相信种种大战迫在眉睫的情报，西线总司令巴甫洛夫大将盲目乐观地将西线主力靠前部署，但又不进入战斗准备状态。苏联在战前紧急抢修大批机场，把作战飞机向少量机场集中，好腾出地方接收正在交付中的新飞机，飞行员和地勤的重新训练刚刚展开，苏联西线空军正好处在青黄不接的时候。结果，德军的闪电式突击在短时间内摧毁了措手不及的西线苏军主力，大批战斗机在地面就被摧毁，米格-3也不例外。
好在从噩梦中惊醒的苏联空军依然保存下来了大批飞行员，他们马上驾驶后方新生产的战斗机升空，和入侵的德军作殊死的战斗。性能优秀但脾气暴烈的米格-3在优秀飞行员的手中，很快成为抗击德国空军的有力武器。著名空战英雄波克雷什金在换型之前，就用米格-3击落过近20架德国飞机。在试飞员苏普隆的提议下，各设计局的试飞员也组成6个特别战斗机团，其中2个试飞员团驾驶米格-3，第401特别战斗机团由苏普隆自己指挥，第402特别战斗机团由斯捷潘诺夫斯基指挥。苏普隆在战斗中牺牲，至今在莫斯科郊外仍然有苏普隆和他的米格-3的雕像。苏普隆牺牲后，另一个试飞员科克纳奇接替，率领着试飞员们继续着保卫莫斯科的战斗。值得指出的是，试飞员团里的试飞员不全部是空军飞行员，一些试飞员是平民身份。他们的飞行技术精湛，但没有受过空中格斗的训练，有的在此之前还从来没有在空中瞄准、射击过。这个传统延续至今，现在苏霍伊的头牌试飞员弗洛洛夫就不是空军飞行员。
与此同时，德军还在高速冲向莫斯科，古德里安的装甲军团一马当先，冯 包克的中央集团军群离莫斯科最近的地方只有20多千米，号称可以在望远镜里看到克里姆林宫顶上的红星。苏联的军工体系被整体转移到乌拉尔山中，米格设计局和沃努科沃飞机工厂也转移到莫斯科以东800多千米的库比雪夫。1941年的冬天特别寒冷，入侵的德军被“冬天将军”打了个鼻青眼肿。虽说苏联人对严寒见得更多一点，但没有人会真正“习惯”于零下35摄氏度的严寒，更何况紧急疏散的目的地只有非常简陋的条件。和很多其他军工单位一样，米格设计局办事效率极高，新工厂在最后一车物资到达10天后，第一架在新地址组装的米格-3就下线了。在1941年底之前，又生产了1800多架飞机。这种惊人的效率真是前无古人、后无来者。
然而，德国空军在东线主要在低空活动，米格-3平平的低空性能使它英雄无用武之地。米格-3的一挺12.7毫米和两挺7.62毫米机枪也火力不足，用于对地攻击效果不好。米格-3逐渐从争夺前线制空权转入后方防空，甚至担任并不适合的对地攻击。发动机功率不足，所以增加火力都不行，将增重太多。在莫斯科保卫战之后，米格-3逐步退居担任二线任务。
AM-35A发动机和用于伊尔-2强击机的AM-38发动机在同一工厂生产。受到苏军欢呼和德军诅咒的伊尔-2在前线供不应求，部分原因就是发动机的产量不足，位于白俄罗斯的原生产AM-38的工厂已经被德军占领之后，问题更加严重。在转移到乌拉尔的时候，苏共中央已经决定，鉴于米格-3的高空高速性能在实战中并不能得到发挥，雅克夫列夫和拉沃奇金的战斗机的中低空性能更加优越，所以米格-3的生产立刻中止，将其发动机的生产能力转为生产在设计上相似的AM-38，加强伊尔-2的生产。但由于惯性的关系，AM-35发动机的生产并没有马上停止，伊尔-2的生产依然迟缓。盛怒的斯大林亲自发电报：
“你们在和我们的祖国和红军捣鬼！直到现在你们还没有考虑生产伊尔-2！现在伊尔-2对我们的红军就像空气和面包一样必需！你们一个工厂每天只生产一架伊尔 -2，另一个工厂却每天生产1～2架米格-3！这是对我们的祖国和红军的侮辱！我们需要伊尔-2而不是米格！这是对你们的最后一次警告！斯大林。”
在战争时期，尤其是大清洗还记忆犹新的时候，斯大林的这一严厉警告当然被雷厉风行地立即执行。除了用剩余零件组装外，米格-3就此停产。
1941年间，米格设计局重又转向使用功率更大的AM-37发动机的米格-3，但技术问题最终使米格放弃了这一计划。这期间，佩特里亚科夫设计局开始设计佩-8四发重型轰炸机，需要远程护航战斗机配合，于是米格设计局开始DIS设计，曾在内部被非正式地称为米格-5。这是一架双发重型战斗机，用于为佩-8护航。在独立完成战术任务时，可用于侦察、远程巡逻、轻型轰炸和反舰等任务。DIS在概念和构型上和梅塞斯密特Me-110相似，采用两台AM-35发动机，由朱可夫在1941年5月19日首飞成功，随后的试飞很快证实了这架新米格基本达到了设计指标，但在设计局向乌拉尔撤退的过程中，1号机受到了损坏。佩-8的计划最终被取消，现役的佩特里亚科夫的佩-2已经可以较好地完成侦察、巡逻、轻型轰炸任务，尽管DIS的2号机使用气冷发动机，以避开和伊尔-2的AM-38发动机生产的冲突，也还是没有获得准生证而流产了。
没有了AM-35发动机，米格还在继续对米格-3改进，希望能咸鱼翻身。如果没有一架批量生产的飞机型号，设计局就有被解散的可能，人员和挂钩工厂都重新安排。米格设计局改进的重点在两个方面：一是用气冷星形的M-82发动机替代AM-35A发动机，这样可以避开斯大林不准和伊尔-2争抢发动机生产能力的禁令；另一方面是根据前线使用经验，在气动上对米格-3进行修改，以达到更高的性能。米格试图用气冷星形M-82发动机改装米格-3的努力不成功。M-82比AM-35A直径大很多，也更重，修长的米格-3的机身和粗短的M-82怎么配合怎么别扭，在风洞和试飞中都出现显著的涡流阻力，气动控制面还出现严重的颤振问题。苏联空军的试飞员格洛法斯托夫在1942年12月的试飞结果表明，尽管M-82发动机的功率比AM-35A要大，但更大的直径使迎风阻力急剧增加，最高速度下降到565千米/小时；座舱盖必须开着，好把座舱里严重的排烟散发出去；低速时发动机性能不稳定，使得着陆困难。苏联空军不能接受这样大的性能退步，在多方努力无果后，最后放弃了。不过米格设计局在这个问题上不是唯一的倒霉蛋，雅克夫列夫设计局也遇上了类似的问题，只有拉沃奇金设计局成功地转型到气冷星形发动机，而拉沃奇金在战前就对气冷星形发动机有很多经验。
米格设计局还不断用新技术研制一系列更新的战斗机，包括加装涡轮增压。有意思的是，米格的涡轮增压没有委托发动机设计局，而是自己设计的，负责的就是年轻的罗斯蒂斯拉夫 贝利亚科夫，30年后执掌米格设计局，主持设计了米格-29。部分米格新机达到试飞阶段，其中一些直接加入莫斯科的防空部队，边作战边试飞。由于技术上的不成熟，或者性能不比其他设计局已经量产的飞机更好，最终都没有投产。但不断的小步快跑使新研制的战斗机不仅在速度、操控上有所改进，也在飞机的制造和设计细节上达到了一个新高度。全金属构造（米格-3还是传统的木质框架、胶合板蒙皮构造）、加压座舱等都在这个时期实现，为以后进入喷气时代打下了基础。
1942年春，德军进攻的浪潮已经在莫斯科城下被堵了回去，战争开始进入相持阶段，米格设计局迁回了莫斯科，米格设计局也在此期间彻底独立于波利卡波夫设计局，自立门户了。但出乎意料的是，米格设计局没有回到原来的沃努科沃飞机工厂的地方，而是到了郊外一个空出来的兵营一角，连科研带生活只有几座零星的小房子，需要自己重新建设试验工场和研究设施。米格的人们发现还有一些剩余的米格-3部件，于是组装了50多架，这是最后一批米格-3，米格-1和米格-3的总产量达到3300架。
没有了生产任务的米格像一个孤儿一样，在为自己的生存而挣扎。但没有了生产任务，米格反而脱离了对飞机工厂的依附，从围绕产品的一般设计局（КВ）升级为具有科研任务的实验设计局（ОКВ），有机会开始很多并不着眼于立刻应用的飞行研究和生产技术研究，为战后的腾飞打下了基础。相比之下，雅克夫列夫和拉沃奇金的设计局的战斗机依然在生产中，工作重点依然是继续生产和不断改进现有战斗机，反而没有这样的机会。正是塞翁失马，焉知非福。
这一阶段最重要的工作是I-250。尽管生产型战斗机开始采用设计局的名号，研究和原型阶段的战斗机依然以“I”为系列代号，米格的代号是200系列，不过以后都打乱了。I-250是米格设计局使活塞式战斗机速度大幅度提高的重大努力。
I-250的推进系统是非常特别的。活塞式发动机驱动机头的螺旋桨，但在机头下有一个辅助进气口，借助螺旋桨的压缩作用，将一部分空气压缩进进气道，然后在后部的燃烧室里喷注燃料，产生额外功率。这其实有点喷气发动机的加力推进的意思了。这种混合动力使I-250可以达到相当高的速度，在1945年3月3日首飞后几天，就成功地使用了混合动力， 5月23日就冲破了800千米/小时的速度纪录，试飞员达伊耶夫为此得到了米高扬亲手颁发的一辆小汽车的奖励，这在卫国战争尚未结束的苏联是非常高的奖励。不幸的是，达伊耶夫在下一次试飞中，就失事牺牲了。从茹科夫斯基空军工程学院的时代开始，米高扬就和试飞员建立了特殊的友谊。达伊耶夫和米高扬是好朋友，达伊耶夫的死对米高扬是很大的打击，米高扬为此特意在米格设计局内建立了一个纪念碑，纪念所有牺牲的米格试飞员。
在设计I-250时，米格和当时世界上其他先进国家的航空设计机构一样，对声障和空气的可压缩性问题不甚了解，对于螺旋桨飞机已经接近速度极限这一事实并不知晓。事后分析的结果表明，飞行速度超过一定的极限后，机翼上表面的气流速度可以超过声速，阻力急剧增加，升力中心也发生移动，弄不好就会造成飞机失控，导致机毁人亡的事故。高速飞行还有另一个问题：螺旋桨高速旋转时，推进效率急剧恶化。这好像用搅拌机搅面一样，低速、均匀地搅可以把面搅和，但搅得太快，只是在面团里打一个洞，搅拌的作用反而降低。螺旋桨也一样，继续增加转速和功率只是在空气中打一个洞，而不能增加功率。螺旋桨技术达到极限了。