安装 5 挺机枪的米格-3，注意翼下吊舱
尽管战争爆发前有 17 个苏联战斗机团装备了总共 917 架米格-3，此外还有 64 架米格-3 装备了黑海舰队和波罗的海舰队，但是真正形成了战斗力的只有部署在西部军区的第 20 混成师、第 41、124、126 战斗机团和第 23 基辅战斗机团。部署在边境地区的米格-3 在战争开始时损失惨重，他们成为了纳粹空军的第一轮打击目标。装备有 233 架米格-3 的苏联空军第 9 混成师是苏联空军战斗力最强的部队之一，在第一天的战斗中该师损失了全部 407 架战斗机中的 347 架，其装备的所有米格-3 全部被摧毁在地面上。苏军飞行员科科内夫驾驶一架米格-3 强行起飞，并驾机撞毁了一架德国 Bf 110 战斗机，这也是米格-3 在卫国战争中首次与敌机同归于尽的战例。但是个别飞行员的勇敢行为并不能扭转整个战局发展。第 9 混成师师长查尼柯少将由于没能保全其部队而被逮捕，随后这位成名于西班牙内战时的“苏联英雄”被宣布为“人民公敌”并被枪毙。但是这样的举动对局势却于事无补。
为了补充在开战时遭受巨大损失的西线苏联空军实力，在 1941 年 6 月 22 日，苏联空军司令命令将 99 架米格-3 战斗机火速送往前线，但是这批飞机的命运更为不幸。由于战争初期苏军部队产生了巨大的混乱，撤退的苏军部队为了不让飞机落入纳粹手中，不得不将自己的飞机摧毁。因此到了 6 月 24 日，西线苏联空军已经没有一架新型单座战斗机，到了 25 日这种情况有了改变，超过 200 架米格-3 战斗机抵达前线，随后的每一天几乎都会增加一个战斗机团。在 29 日的一场空战中，两架米格-3 击落了三架德军 Bf 109 战斗机。值得一提的是由试飞员组成的 5 个战斗机团，其中两个团装备了米格-3。成立试飞员战斗机团的建议是由苏联功勋试飞员，“苏联英雄”称号获得者萨普伦提出的，他说服斯大林相信经验丰富的试飞员能更好的发挥新型战斗机的威力，由他们组成的战斗单位将会在前线制空权争夺中起到重要作用。萨普伦和裴奥特?斯坦凡诺夫斯基上校分别成为第 401 和第 402 特别战斗机团的团长，这两个飞行团装备有刚刚走下生产线的 67 架米格-3 战斗机，并于 6 月 30 日抵达前线。第 401 团抵达祖博夫后，大大加强了西线苏联空军实力，该团立刻便参加了密集的空战，他们攻击敌军地面部队，执行侦察任务并与纳粹的容克式和梅赛施密特式战斗机在中低空展开了殊死搏斗。仅在 7 月 2 日和 3 日两天，该团便击落了 8 架敌军飞机，在随后的一天，萨普伦一个人就击落了 4 架敌机，他也因此第二次获得“苏联英雄”称号。
1941 年夏天的空战主要发生在 4,000 米高度，在这一高度上，米格-3 的速度比纳粹德国主力战机梅塞施密特 Bf 109E 要快一些，但是由于米格-3 在高速飞行时座舱盖无法打开导致飞行员无法逃生，因此许多苏联飞行员在执行任务时总是敞开座舱盖，使得飞机的时速下降了 30 千米左右，这样 Bf 109E 反而在速度上占了上风。此外尽管 Bf 109E 在爬升率方面占优，但是垂直机动性方面还是米格-3 略胜一筹。尽管两种战斗机盘旋时间差不多，但是由于德国飞机翼载荷轻，Bf 109E 的盘旋半径比米格-3 小 25%，同时由于德国飞机较轻，因此也可以装备更强的火力。此外在无线电通讯设备方面 Bf 109E 也要先进很多。虽然在 5,000―7,000 米高度时，米格-3 性能全面超越 Bf 109E，并且至少与更先进的 Bf 109F 相当，但是空战几乎不会发生在这一高度。
