Конструкция самолета — смешанная: передняя часть фюзеляжа сварена из стальных труб; хвостовая — деревянная; обшивка — фанерная, работающая на изгиб и кручение. Центроплан склепан из дюралюминия, отъемные части крыла консоли сделаны из дерева. Крыло — двухлонжеронное; в центроплане и в консолях оно снабжено еще третьим, вспомогательным лонжероном. В центроплане размещены посадочные щитки, отклоняемые книзу на 60°. Управление щитками осуществляется специальным механизмом, приводимым в действие сжатым воздухом. Элероны — типа «ФРАЙЗ», то есть имеют профиль с заостренной передней кромкой и осевую компенсацию (ось вращения смещена назад примерно на 20% ширины).

Горизонтальное оперение — стабилизатор и руль высоты, склепаны из дюралюминия, обшиты листовым дюралюминием; причем руль высоты только от носка до лонжерона, остальная часть обтянута полотном. На каждой половине руля высоты размещен триммер. Руль направления имеет ту же конструкцию, что и руль высоты. Киль — деревянный, выполнен как одно целое с фюзеляжем. Шасси убирающееся, одностоечное, состоит из двух ног, каждая представляет собой амортизационную стойку, на которой укреплена полуось с колесом, имеющим пневматик 600X180. Шасси убирается в центроплан колесами внутрь с помощью механизма, приводимого в действие сжатым воздухом.
Хвостовое колесо размером 170X90 мм управляется вместе с рулем направления. Убирается оно назад, одновременно с основными шасси, посредством троса, соединенного с системой уборки левой ноги шасси.
Двигатель АМ-35Ф с жидкостным охлаждением, установленный на самолете, имеет характерную особенность — развивает наибольшую мощность 1200 л. с. не у земли, а на высоте около 7000 м. Это позволяло на большой высоте обеспечить повышенную скорость попета. Двигатель и радиатор для его охлаждения были хорошо закапотированы, что значительно уменьшало лобовое сопротивление.
Двигатель тщательно закрыт хорошо обтекаемым капотом. На валу укреплен трехлопастный металлический винт изменяемого в полете шага ВИШ-22Е, снабженный коком. В носке корневой части центроплана справа и слева имеются заборники для поступления воздуха в карбюратор. По обеим сторонам капота расположены тоннели маслорадиатора с косо срезанными заборниками. Под фюзеляжем, примерно под кабиной летчика, размещен радиатор. Кабина была оборудована всеми тогда имевшимися аэронавигационными приборами, необходимыми для попета в ночное время.
Небольшое количество экземпляров МмГ-3 выпуска 1941 года имели радиостанцию РСИ-3. Вооружение состояло из одного пулемета калибром 12,7 мм и двух — 7,62 мм. В случае необходимости под крылом можно было подвесить две бомбы по 50-100 кг или шесть реактивных снарядов.
Основные технические данные: размах крыла — 10,3 м; длина — 8,155 м: площадь крыла — 17,45 м²; взлетный вес — 3350 кг; нагрузка на крыло — 192 кг/м², максимальная скорость 640 км/час на высоте 7000 м; время набора высоты 5000 м — 5 мин. 42 сек.; дальность полета — 1250 км.

МиГ-3 имел передовое по тем временам оборудование. На нем, первом из серийных советских истребителей, было установлено кислородное оборудование. Оно располагалось в кабине и состояло из прибора КПА-3бис, баллона на 4 л, маски со шлангом.
МиГ-3 окрашивался сверху светло-зеленой, а снизу светло-голубой краской. Красные звезды с красной окантовкой наносились с боков фюзеляжа и снизу крыла. Некоторые серии камуфлировались. Трехлопастный винт черный, матовый. Кабина внутри шарового цвета, приборная доска черная.
Вооружение МиГ-3 состояло из двух синхронных пулеметов ШКАС калибра 7,62 мм и одного синхронного пулемета БС калибра 12,7 мм. Они были установлены неподвижно в передней части фюзеляжа над мотором.
Под крыльями предусматривались четыре пары бомбодержателей. На внутренние подвешивались по две бомбы калибром по 100 кг, на внешние — две бомбы по 50 кг.