20 сентября 1941 г. после ремонта и переоборудования опытную машину с АМ-37 в соответствии с распоряжением заместителя начальника ГУ ВВС КА передали на государственные испытания в НИИ ВВС. Ведущим инженером по самолету был назначен военинженер 2 ранга Н. М. Кокорин, ведущим летчиком-испытателем — майор Лисицин, ведущим штурманом — старший лейтенант Литвинчук. В качестве важнейших отличий самолета от варианта с моторами М-105 специалисты НИИ отметили:

— винты ВИШ-22Т увеличенного диаметра (3,4 м);

— крупнокалиберные пулеметы БТ во всех огневых точках;

— колеса основных стоек с типоразмером 1200х450 мм;

— гидравлическую систему аварийного выпуска шасси (вместо механической);

— усиленное бронирование рабочих мест стрелка и стрелка-радиста;

— синхронный автоматический прицел ПС-1, установленный вместо обычного прицела ОПБ-2М.

Первые же полеты продемонстрировали такой «букет» недоделок, что уже 24 сентября их пришлось прекратить. Начальник института бригинженер Федоров доложил начальнику ГУ ВВС генералу Петрову о поразительных вещах, например, о том, что летчик Ер-2 2АМ-37 «при выпуске и уборке шасси вынужден передавать управление штурману, после чего он двумя руками с помощью левой ноги (?!!) смещает ручку управления краном…» Далее Федоров настаивал на необходимости «обязать главного конструктора завода № 240 тов. Ермолаева немедленно устранить указанные дефекты». Испытания затянулись. В связи с вынужденной переброской самолета в Свердловск на аэродром Кольцово, куда было переведено соответствующее подразделение НИИ ВВС, они были закончены только в начале января 1942 г.

Несмотря на обилие недостатков, постепенно устранявшихся, самолет Ер-2 2АМ-37 был чрезвычайно высоко оценен летчиками и инженерами НИИ ВВС. По мнению Николая Максимовича Кокорина, по «комплексу летно-тактических данных ему не было равных в мире». Действительно, этот дальний бомбардировщик обладал максимальной скоростью, превысившей 500 км/ч на высоте 6000 м, и был способен пролететь расстояние в 3000 км с грузом бомб 1000 кг при средней скорости 408 км/ч. Высокая средняя скорость снижала вероятность перехвата и время пребывания над территорией противника. Самолет был хорошо вооружен (три крупнокалиберных пулемета) и забронирован (130 кг стальной брони), имел лучшую устойчивость по сравнению с Ил-4 и меньше утомлял пилота.

Наибольшие трудности при доводке создавала своеобразная система охлаждения двигателей. Водовоздушные радиаторы в консолях крыла между лонжеронами (типа ОП-158) были на этом варианте машины дополнены еще двумя парами радиаторов ОП-275, установленными в задней части мотогондол (как на яковлевском ББ-22 и микояновском МиГ-5). Эти последние работали совместно с водомасляным радиатором ОП-355 (охлаждение масла) и воздухо-водяным радиатором тип 307, предназначенным для охлаждения воздуха за нагнетателем. Таким образом, привычных воздухозаборников маслорадиаторов на Ер-2 2АМ-37 не было совсем. Многоконтурная система охлаждения оказалась недостаточно сбалансированной. Потребовалось повышение производительности всех первичных водовоздушных радиаторов, а это было совсем не просто в условиях войны, когда малейшие изменения в серийные образцы техники разрешалось вносить только после согласования с наркомом.