Расчётный полётный вес возрос, и, чтобы уменьшить нагрузку на крыло, его площадь увеличили. Лонжерон продлили, при этом размах вырос с 10,37 м до 11,59 м. Законцовки сделали не округлыми, а почти прямыми, «рублеными». В итоге площадь крыла увеличилась с 21,56 м>2 у XF4F-2 до 24,15 м>2. Крыло по-прежнему выполнили нескладывающимся. Элероны стали длиннее, а плечо относительно оси фюзеляжа — больше. Предполагалось, что это вместе с уменьшением нагрузки на крыло положительно скажется на маневренности и управляемости самолёта.
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.
