Выявленные ранее проблемы с устойчивостью и управляемостью попытались решить также переделкой хвостового оперения. Площадь стабилизатора увеличили за счёт придания ему трапециевидной формы в плане. Киль немного сдвинули назад и вытянули вверх. Вертикальное оперение в целом тоже приобрело форму трапеции.

Вооружение усилили. В фюзеляже теперь размещались два пулемёта калибра 7,62 мм, а два 12,7-мм пулемёта — в крыле. Из мелких отличий можно отметить ещё введённый наклон радиомачты вперёд.

В целом за счёт всех изменений самолёт удлинился примерно на полметра, вес возрастал где-то на 300 кг. По расчётам, истребитель должен был иметь максимальную скорость 530 км/ч.

В опытный образец XF4F-3 доработали остававшийся на заводе XF4F-2. Собственно, от него использовали только центральную часть фюзеляжа и шасси, остальное изготовили заново. В конце января 1939 г. на кардинально переделанный планер поставили двигатель, который взяли из одной из первых серий. Довольно долго провозились с доводкой мотоустановки, борясь с перегревом масла. 12 февраля XF4F-3 совершил свой первый полёт.

После довольно кратких заводских испытаний истребитель перегнали в Анакостию, где за него взялись морские лётчики. Скорость оказалась даже выше расчётной — намерили 537 км/ч. Практический потолок определили в 10 675 м. По лётным данным новая машина существенно превосходила F2A-1. Но часть проблем с устойчивостью и управляемостью сохранилась. Машину начали дорабатывать. На протяжении шести месяцев она неоднократно возвращалась на завод в Бетпейдже, где раз за разом в неё вносили изменения.

Экспериментировали с дефлектированием цилиндров мотора и формой кока винта. Попробовали кок с центральным отверстием для продувки. Потом кок сняли совсем, а затем вернули на место, но форма его стала иной, более узкой в корневой части и более закругленной на вершине. Температурный режим двигателя старались улучшить, меняя форму и размеры регулирующих створок капота для выхода нагретого воздуха. На корневую часть лопастей винта надели «манжеты», работающие как вентилятор.

Поперечное V крыла увеличили. К лету 1939 г. нарастили роговой компенсатор руля направления. Затем хорду киля удлинили, увеличив его площадь. Гаргрот за кабиной продолжили назад, так что он стал переходить в форкиль. Всё это улучшило путевую устойчивость.

В конце 1939 г. опытный образец истребителя перевезли на аэродром Лэнгли-филд, где находилась большая аэродинамическая труба NACA. В неё машину запихнули целиком. Продувка показала, что оперение нуждается в дальнейшей доработке. При горизонтальном положении фюзеляжа стабилизатор оказывался в аэродинамической тени от крыла, и рули высоты теряли свою эффективность.

С учётом рекомендаций аэродинамиков конструкторы ещё раз переделали оперение. Стабилизатор подняли вверх, разместив на корневой части киля. Вертикальное оперение сдвинули назад, при этом как бы повернув. Руль направления, ранее явно наклонённый вперёд, стал располагаться почти вертикально. Внизу его немного подрезали, укоротив заодно хвостовой кок. Это сделали для того, чтобы они не мешали выпуску и уборке посадочного гака.

Гаргрот в задней части стал повыше, а форкиль — более выраженным. Кроме того, воздухозаборник карбюратора теперь выступал из переднего кольца капота мотора. Радиомачту переместили на гаргрот за кабиной, сильно наклонив её вперед.

В таком виде XF4F-3 сочли пригодным как эталон для серийного производства, решение о котором приняли ещё в августе 1939 г. Этот самолёт списали после катастрофы в декабре 1940 г. Комиссия пришла к выводу, что был виноват лётчик, по ошибке перекрывший бензокран вместо выпуска закрылков. Но соседствующее расположение двух похожих кранов разного назначения являлось грехом конструкторов…

8 августа 1939 г. фирма «Грумман» получила контракт на выпуск 54 истребителей. К серийному производству F4F-3 на заводе в Бетпейдже начали готовиться осенью того же года. Первый серийный экземпляр был готов в январе 1940 г., но никогда не летал — его использовали как планер для статических испытаний. Они проходили на «Нэйвел эйркрафт фэктори» в Филадельфии и подтвердили необходимый уровень прочности.

Первый лётный экземпляр собрали в феврале того же года, второй — в июле. Все машины первого десятка изготавливались по временной технологии и отличались друг от друга.

Два первых истребителя несли то же вооружение, что и XF4F-3, то есть два 7,62-мм и два 12,7-мм пулемёта. На всех последующих машинах из фюзеляжа их убрали, а в крыле — удвоили; теперь самолёт нёс четыре крупнокалиберных пулемёта с боезапасом по 450 патронов. Стволы двух крайних из них немного выступали из передней кромки крыла. Под крылом предусматривались два съёмных бомбодержателя; на каждый можно было подвесить бомбу калибром до 45 кг (100 фунтов).

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.