Первый в практике ОКБ, возглавляемого А.И.Микояном и М.И.Гуревичем, крупноразмерный истребитель с радиолокационной станцией был построен в короткий срок. Места летчиков были расположены рядом в широком фонаре с бронестеклами толщиной 105 мм с электрообогревом. Баки мягкие (два на 3175 л) в фюзеляже. Двигатели были установлены в фюзеляже последовательно уступом. Передний, в носовой части его - с выхлопным соплом под фюзеляжем за кабиной, задний, за серединой фюзеляжа - с соплом под вертикальным оперением. Воздухозаборник - большой общий, с разветвлением к переднему и заднему двигателям. Вооружение: три пушки Н-37 по бокам и внизу носовой части фюзеляжа с 50, позднее - с 60 снарядами каждая.

16 апреля 1949 г. летчик-испытатель Я.Верников начал его заводские испытания. По его отзывам, самолет, обозначенный И-320 («Р»), получился неплохим. Относительно простой в пилотировании, он обладал хорошей устойчивостью и управляемостью, был по характеристикам близок к МиГ-15. Однако на государственных испытаниях ведущий летчик Ю.А.Антипов обнаружил склонность машины к валежке из-за дивергенции крыла, поэтому его максимальная скорость была ограничена пределом 960 км/ч по прибору. Замечания и пожелания летчиков и инженеров-испытателей учтены при постройке второго экземпляра самолета - И-320 («Р-2»). Для улучшения переднего обзора катапультные кресла были приподняты. Кабина стала выше и получила одну общую для пилота и оператора сдвижную назад крышку фонаря. Хотя конструкция планера осталась без изменений, обтекатель радиолокационной станции опустили. На «Р-2» установили два двигателя ВК-1 тягой по 2700 кг. В системе антиобледенения самолета предусмотрели обогрев носков крыла и электрообогреватели в агрегатах хвостового оперения. Боезапас «Р-2» при тех же трех пушках Н-37 возрос со 150 до 180 патронов.

На заводских испытаниях (их выполнял С.Амет-Хан, а в облете участвовали М.Л.Галлай и С.Н.Анохин) вес пустого «Р-2» был 7367 кг, а максимальный без подвесных баков - 10265 кг. Валежку летчики не обнаружили. На государственных испытаниях с бортовым запасом топлива в 3200 л., нормальный взлетный вес «Р-2» был 10725 кг, а максимальный с двумя подвесными баками по 750 л., достигал 12095 кг. В полетах, выполненных Ю.А.Антиповым и И.М.Дзюбой, на «Р-2» была достигнута скорость 1040 км/ч, а на высоте 10000 м - 994 км/ч. Высоту 5000 м самолет набирал за 2,3 мин, а 10000 м за 5,65 мин. Практический потолок «Р-2» - 15500 м, дальность полета на высоте 10000 м - 1205 км, а с подвесными баками - 1946 км. Посадочная скорость - 187 км/ч. В процессе испытаний было выявлено еще одно свойство перехватчика. Он хорошо летал, стартовал и садился на одном двигателе, причем взлет на переднем ТРД получался быстрее, чем при работе заднего. Это исследование явилось редчайшим по чистоте экспериментом сравнения, не имеющим прецедентов в отечественной практике самолетостроения. Выявление различий в свойствах реданной и хвостовой компоновок ТРД сводилось к элементарным действиям летчика, которому достаточно было пользоваться двигателями попеременно, то передним, то хвостовым.

После первого этапа испытаний И-320 («Р-2») был возвращен на завод для доработок. Во второй половине 1950 года на него поставили новое крыло с баками-кессонами, входящими в его силовую схему. Консоли крыла были усилены. На них установили по три аэродинамических гребня вместо двух. По верху крыла в зоне закрылков ввели интерцепторы. Геометрические размеры крыльев «Р-1» и «Р-2» были одинаковы: стреловидность по линии фокусов - 35°, поперечное V = -3°, угол установки - +1°. площадь - 41,2 м². Ремонтный вариант «Р-2» в некоторых документах назывался «Р-3». Он отличался улучшенной аэродинамикой фюзеляжа, фонаря кабины и выхлопных сопел ТРД. На нем проверялась и новая РЛС типа «Коршун». За 39-й рамой, в нижней части корпуса, были установлены отклоняемые тормозные щитки для маневра в полете и для посадки. Создание двухместных истребителей-перехватчиков с радиолокационным оборудованием в конце сороковых годов не увенчалось успехом в основном из-за несовершенства одноантенных станций типа «Торий» и «Коршун». Барражирующие перехватчики вошли в строй авиачастей ПВО после создания и всесторонних испытаний новой большой РЛС. Одним из первых серийных двухместных перехватчиков стал в середине 50-х годов самолет Як-25.