На первом F4F-3 в ходе заводских испытаний выявилось бурное испарение топлива в баках при полёте на больших высотах. Паровые пузыри закупоривали магистрали, и двигатель без бензина глох. Причиной этого сочли недостаточную герметичность баков. В основной бак уложили резиновый пузырь, уплотнивший все стыки. Закипание топлива прекратилось, но резина уменьшила ёмкость, тем самым сократив дальность полёта. В августе 1940 г. первый лётный экземпляр истребителя передали фирме «Пратт-Уитни», которая стала использовать его как летающий стенд для испытания новых модификаций двигателя R-1830.

Вторая машина тоже прошла программу заводских испытаний и в том же августе 1940 г. перелетела в Анакостию. Там она около полугода облётывалась испытателями флота. Лётные данные оценили положительно, хотя подвергли некоторой критике состояние с продольной устойчивостью. При энергичном маневрировании заедало пулемётные ленты в рукавах подачи. В кабине было жарко и ощущался запах выхлопных газов. Фонарь кабины на некоторых режимах полёта вибрировал.

В результате морские лётчики-испытатели рекомендовали принять самолёт на вооружение, но потребовали внести изменения в расположение приборов и кранов в кабине, усилить хвостовое колесо и улучшить охлаждение двигателя. Для реализации последнего пункта машину передали NACA. Специалисты проверяли, как меняется температурный режим при различных размерах и конфигурации регулирующих створок капота. В итоге остановились на сочетании уширенных вдвое створок и «манжет» на лопастях винта. Эту конструкцию приняли для всех последующих серийных F4F-3.

На третьем и четвёртом серийных самолётах в июне 1940 г. установили моторы Райт R-1820-49 той же мощности (1200 л.с.). Но этот двигатель был однорядной «звездой», соответственно раму и капот под него делали другие. Этот вариант, названный XF4F-5, рассматривался как запасной на случай неудачи с доводкой мотоустановки с «Пратт-Уитни». Обе машины облётывались в Анакостии, но получили оценки ниже, чем F4F-3. Их максимальная скорость равнялась 493 км/ч. Позднее результаты этой работы использовали при проектировании ряда экспортных модификаций. Сами же истребители в 1942–1943 гг. вновь оснастили новыми двигателями: первый — R-1820-54 с турбонаддувом, второй — R-1820-48 с новым двухступенчатым приводным нагнетателем. Они участвовали в сравнительных испытаниях, летая с близким полётным весом. При этом на малых высотах выигрывал самолёт с приводным нагнетателем, на средних оба соперника были примерно равны, на больших высотах преимущество давал турбонаддув. Истребитель с R-1820-54 дошёл до скорости 547 км/ч, с R-1820-48 получили всего 508 км/ч.

На пятом и шестом (по другим источникам — пятом и восьмом) экземплярах отрабатывали новое вооружение в крыле и усиленное шасси. Шасси досталось новому истребителю от меньшего по размерам и более лёгкого F3F и, действительно, обладало недостаточной прочностью.