1940 年修改过引擎罩和冷却装置的 V-1，机身已经打上新编号，4 位字母是电台呼叫代号
1939 年秋，第二架原型机 Fw 190V2（W.Nr.0002, FL+OZ）出厂，并于 1939 年 10 月 31 日首飞。该机的发动机采用了 V1 改进时所用的风扇冷却措施。武器包括 Rheinmetall-Borsig 的 MG 17 7.9mm 机枪和 MG 131机枪，装在机身两侧的机翼中。火力测试在 Tarnewitz 的 Rechlin 试验中心靶场进行。更换了注册号（V1 改为 RM＋CA，V2 改为 RM＋CB）之后，1940 年 1 月 25 日，两架原型机进入下一阶段试飞，以评估前阶段改进措施对飞机飞行品质和发动机冷却系统效率的影响。Fw 190V2 被用于向赫尔曼?戈林展示性能，并给他留下了深刻印象。很快，40 架预生产型 Fw 190A-0 的订单以比预想的快得多的速度下达了。不久之后，1940 年 3 月 4 日，当 Rohlfs 操纵 V2 号机在地面滑行时倾侧，造成 V2 号原型机重创。在此次事故之前，该机累计飞行了 50 个小时。
此时，BMW 已经研制出一种更先进的 14 缸双行星形气冷发动机 BMW 801。由于目标集中在 BMW 801 的发展上，BMW 139 的生产终止，并被认为是一种不成功的设计。新型发动机直径和它的前辈差不多，但更长更重。Fw 190 本来是设计来和较轻的 BMW 139 配合的，现在由于要求改用 BMW 801，设计小组被迫对机身进行大量修改。此时，Fw 190V3 和 Fw 190V4 已经完成了进一步试验，但由于发动机安装方案的更改而被放弃。所有的改进集中到第 5 架原型机 Fw 190V5 上，该机一开始就是准备采用 BMW 801 的。V3 号机被用于拆解备件。V4 则用于机身强度试验。由于发动机重量增加，必须要对飞机进行应力测试。这对于今后武器试验也非常重要，因为要在同一个机身上加装大量不同型号的武器进行测试。大部分机身结构被加强，座舱则向后移动了一段距离，这样可以减少高温带来的问题，并为机头武器留出更多的空间。座舱内部空间有所减小，但得益于出色的仪表界面设计，因而影响不大。座舱后部整流罩被硬铝格框加强的树脂玻璃窗取代。一系列座舱改进唯一的副作用是进一步恶化了飞行员地面滑行时的视界。垂尾外形有所改变，原来的调整片被金属配平片取代，该部件仅在地面可调。考虑到飞机重量大幅上升（超过 25％），起落架也进行了加强，收放机构由液压式改为电气式，机轮直径加大并加装了一个更简单的护罩。为了收藏更大的起落架，翼根处的部分机翼前缘向前移动以便为扩大机轮舱留出空间。采用 BMW 801C-0 发动机的F w 190V5（W.Nr.00 05）于 1940 年春初首次试飞。
在和 V1 号机对比之后，重量增加对飞机飞行性能产生了副作用，而在加装武器和军用设备之后，飞行性能将更为恶化。机翼平面形状不得不重新设计，因为这样可以增加翼面积，显著改善飞行性能。主要的改进是加大翼展和将机翼前缘前移。这样新机翼的翼面积增加到 18.30 平方米，而翼展加大到 10.506 米。翼型则没有改变。此外，还设计了一个新的、翼展 3.650 米的平尾。后来，垂尾面积也通过将翼前缘前移的方法加大。新机翼原计划装在一架新的原型机上进行试验。但是，1940 年 8 月，在一次着陆中由于发动机罩盖板意外打开，导致 Hans Sander 驾驶的 V5 号原型机机翼受损。于是，新设计的机翼被装到 V5 号机上，以取代受损的旧机翼。改进后的原型机被重新命名为 V5g（g 即“grosser”，“较大的”），以区别于其它原型机；未修改的原型机在文件中被称为 V5k（k 即“kleiner”，“较小的”）。试飞结果表明，新机翼使得最大速度减小了大约 10km/h，但其它性能特别是爬升率则显著改善。
