Сборка первого опытного самолета АНТ-3 с мотором «Либерти» (американский мотор «Liberty-12A» выпускался серийно в СССР под обозначением «Либерти», а затем — М-5) была завершена к 10 июля 1925 года, а в августе летчик-испытатель В.Н.Филиппов провел заводские испытания, занявшие примерно 20 летных часов. После контрольного полета Москва — Харьков — Москва и устранения мелких дефектов АНТ-3 передали на государственные испытания.

Их проводил М.М.Громов и летнаб В.С.Вахмистров в НОА с февраля по апрель 1926 года. В зачетном полете с нагрузкой 830 кг, состоявшемся 17 апреля 1926 года, по маршруту Москва — Тула — Калуга — Москва, расстояние 430 км самолет преодолел со средней скоростью 146 км/ч. Испытатели отмечали большую скорость машины, ее преимущества по прочности и сроку службы по сравнению с деревянными конструкциями. Однако выявились и минусы — трудности в управлении и недостаточная маневренность. Окончательных выводов по самолету так и не сделали.

В декабре 1925 года КБ приступило к постройке второго опытного самолета. В нем были устранены недостатки, выявленные при испытаниях первой машины. Поэтому второй АНТ-3 несколько отличался от предыдущего: нижнее крыло подняли на 25 мм, вынесли вперед мотор и радиаторы, увеличили емкость баков.

В августе 1926 года летчик А.И.Томашевский провел испытания второго самолета — сначала с мотором — «Либерти», а затем — с английским мотором «Napier Lion». Машина была послушна в управлении, «мягко» выполнялись виражи. Этот АНТ-3 вполне соответствовал требованиям ВВС к сухопутному разведчику и было принято решение о запуске самолета в серию.