Из-за нехватки материалов и недостаточного освоения технологии металлического самолетостроения постройка опытной машины затянулась. Срок сдачи ее перенесли на 15 мая 1925 г., а практически закончили сборку лишь к 10 июля. После устранения мелких неполадок в августе Р-3 вышел на заводские испытания. Их проводил В.Н.Филиппов. Самолет пробовался с двумя типами винтов: типа ЦАГИ и английским, от разведчика DH.9 (с последним результаты были лучше). В ходе испытаний Филиппов совершил перелет Москва-Харьков. Это оказалось нелегким делом – в дожде и тумане проблуждали почти 2,5 часа. Всего на заводских испытаниях Р-3 налетал около 30 часов и 26 октября был передан Научно-опытному аэродрому (НОА) ВВС для государственных испытаний.
Они начались не сразу. Военные выставили длинный список недостатков, которые потребовали устранить до того, как приступить к полетам. Доработки завершились только к 30 декабря, когда и совершили первый полет. К сожалению, от вибрации потекли радиаторы. Это задержало продолжение испытаний до конца января 1926 г.
29 января Р-3 вновь был готов подняться в небо. Госиспытания шли с февраля по апрель 1926 г. На новом разведчике летал экипаж из пилота М.М.Громова и летнаба В.С.Вахмистрова. Самолет еще не был полностью оборудован, из вооружения стояла только турельная установка. «Либерти» вращал винт ЦАГИ диаметром 2,87 м.
На испытаниях достигли скорости горизонтального полета у земли 207,2 км/ч. Это превышало показатели состоявших на вооружении ВВС РККА разведчиков Р-1 (копии DH.9 советской постройки) и Фоккер С. IV (купленных в Голландии), но было ниже требований технического задания. Недостаточной показалась и маневренность самолета. Причинами этого сочли неудачный подбор винта и дефекты рулевого управления. Тем не менее, в отчете НОА констатировалось, что новый разведчик имеет хорошую скорость и преимущества в эксплуатации, поскольку металлическая конструкция обеспечивала больший ресурс и высокую прочность.
Госиспытания закончились 17 апреля кольцевым перелетом Москва- Тула-Калуга-Москва (430 км). Маршрут преодолели за 2 часа 52 минуты со средней скоростью 146 км/ч.
Предложенные в НОА усовершенствования решили внедрить на втором опытном АНТ-3, постройку которого начали еще в декабре 1925 г. Он по первоначальному замыслу должен был быть эталоном для серии на московском заводе ГАЗ-5 «Самолет» (бывший завод Моска). От первой опытной машины второй экземпляр отличался несколько приподнятым нижним крылом. К-образными межкрыльными стойками вместо N-образных. удлиненной моторамой (для улучшения центровки двигатель вместе с радиатором сдвинули вперед), новым капотом, увеличенными баками и смещенной назад осью шасси. Мотор на этот раз стоял советский, типа М-5 – отечественная копия того же самого «Либерти».
