С ноября 1932 г. на заводе опытных конструкций (ЗОК) началось изготовление отдельных узлов машины. Но только 4 января 1933 г. в ЦАГИ поступили утвержденные УВВС окончательные тактико-технические требования к самолету. К тому моменту все рабочие чертежи были готовы и находились в производстве. Новые требования задавали максимальную скорость 375-400 км/ч – значительно большую расчетных данных эскизного проекта. При этом УВВС продолжало надеяться на доводку М-38 или М-58. оговорив для серийных машин именно их.
В мае 1933 г. первый опытный АНТ-31 закончили и перевезли на Центральный аэродром. Этот самолет по конструкции планера являлся как бы переходным от типичных ранее для туполевского коллектива решений с использованием проверенной гофрированной обшивки и стального каркаса к самолетам нового поколения с гладкой несущей обшивкой. С одной стороны, фюзеляж самолета выполнялся как монокок с гладкой работающей обшивкой и даже с потайной клепкой. А с другой – крыло сохранило толстый нескоростной профиль типа АНТ-6, ферменные лонжероны из стальных труб и гофрированный лист. Гофром покрывалось и все хвостовое оперение за исключением киля. Основные опоры шасси убирались в крыло чрезвычайно сложной системой – комбинацией гидравлики с набором блоков и тросов. Уборка шла в два этапа: сперва гидропривод укорачивал подкосы стоек шасси, уменьшая вынос колес относительно крыла. При этом летчик должен был стравливать давление в гидросистеме. Затем следовали 60 оборотов штурвала механической лебедки, после чего стойки с колесами наконец убирались в крыло. При выпуске колес к манипуляциям с лебедкой добавлялись еще 40 качков ручкой гидронасоса для вытягивания подкосов. Хвостовой костыль не убирался. Закрытый фонарь пилотской кабины открывался весьма необычно: он не сдвигался и не откидывался, а имел сверху крышку, через которую летчик попадал внутрь кабины. В аварийной ситуации левое боковое стекло поворачивалось вокруг вертикальной оси и откидывалось назад, а крышка – вправо. Для этого летчик должен был работать обеими руками сразу.
Состав вооружения первого опытного И-14 являлся временным. ДРП (предполагалось поставить две 37-мм пушки типа АПК-5 с боезапасом 25 снарядов на ствол) на тот момент были еще не доведены, поэтому установили под капотом один синхронный ПВ-1 с боезапасом 900 патронов, оставив место под ДРП в полуплоскостях крыла. Длинную трубу стрелкового прицела ОП-1 («Альдис») закрыли обтекателем.
На самолете смонтировали двигатель «Меркьюри» IVS-2, который развивал максимальную мощность в 540 л.с. на высоте 4500 м. На его валу стоял деревянный двухлопастный винт, шаг которого можно было менять на земле в зависимости от планируемого характера полета. По составу оборудования опытная машина осталась во многом недоукомплектованной: например, вместо радиостанции стоял макет.
Первый полет нового истребителя состоялся 17 мая 1933 г. Машину пилотировал К.А. Попов. В июне самолет официально сдали отделу экспериментально-летных испытаний и доводок (ОЭЛИД). Там он совершил несколько полетов, в том числе один с уборкой шасси. 17 июля машину вернули на ЗОК для доработок мотоустановки и шасси, которые проводились до 30 сентября. Затем заводские испытания продолжили. На АНТ-31 летали К.А. Попов и С.А. Корзинщиков. В ходе летных испытаний самолет продемонстрировал прекрасные скоростные качества: на высоте 5000 м он достиг максимальной скорости 383 км/ч (что стало крупным достижением для того времени) Высоту 6000 м машина набирала менее чем за 10 мин, что также было хорошим показателем.
25 октября самолет вновь оказался в цехе, где до 14 ноября заменили колесное шасси на неубираемое лыжное, при этом ниши для колес закрыли гладкими дюралевыми листами. На лыжах за счет роста лобового сопротивления скорость полета намного снизилась.
В ходе испытаний Попов отмечал, что самолет очень строг в управлении и требует малых отклонений рулей для выполнения эволюции. Тогда же впервые столкнулись с «ахиллесовой пятой» И-14 – запаздыванием выхода из штопора. После четырех витков, которые выполнял Попов, самолет добавлял «от себя» еще два-два с половиной.
Заводские испытания завершились 13 декабря 1933 г. В целом, они показали, что почти все требования УВВС удалось выполнить. Лишь в практическом потолке недобрали 100 м (9400 м вместо 9500 м). А вот полученные взлетно-посадочные характеристики даже близко не соответствовали заданным. Реальный разбег втрое превышал записанные в соответствующий пункт 40 м! На посадке истребитель пробегал 220 м вместо 80 м. Почему такое несоответствие? Все очень просто! Специалисты УВВС заложили в задание на скоростной моноплан показатели привычного для них истребителя-биплана такого же веса. Разумеется, удовлетворить таким требованиям было невозможно.