Опытный истребитель И-320, спроектированный в ОКБ А.И.Микояна, создавался по программе всепогодного, барражирующего истребителя-перехватчика тяжелого типа. Кроме А.И.Микояна, в программе участвовали конструкторы П.О.Сухой и С.А.Лавочкин, построившие соответственно Су-15 и Ла-200. Стремясь сочетать в будущем самолёте «Р» дальность и высокую скорость, Микоян решил повторить апробированную аэродинамическую схему МиГ-15. Поскольку новый истребитель был задуман как двухдвигательный и двухместный, его компоновка оказалась непривычной. Поставить рядом крупногабаритные двигатели не удалось. Компоновщики нашли оригинальный выход, разместить двигатели друг за другом: передний в носовой части фюзеляжа с выхлопным соплом внизу, задний — в хвостовой части.

Пришлось вернуться к реданной схеме, освоенной еще на МиГ-9. Общий воздухозаборник имел три раздельных канала, один — к первому двигателю, второй и третий — ко второму. Самолёт И-320 мог выполнять полёт и даже взлёт на любом из двух двигателей. Большую проблему конструкторам доставила установка и выбор радиолокатора. А.Б.Слепушкин создал первую самолётную радиолокационную систему «Торий». С точки зрения аэродинамики, система обладала огромным достоинством — она была одноантенной. Однако она не имела автоматического устройства для сопровождения цели. Локатор В.В.Тихомирова «Изумруд» имел автоматическое сопровождение, но был двухантенным. Одна антенна для поиска цели, вторая для её сопровождения.

А.И.Микоян решил присмотреться к обоим вариантам. Он начал экспериментировать с «Торием», как более прогрессивным, а затем поставил на вторую машину И-320 «Р-2» «Коршун». На первой машине обтекатель антенны «Торий» находился на верхней кромке воздухозаборника. Лётчик и оператор РЛС располагались рядом в кабине с широким фонарем с бронестеклами толщиной 105 мм. Кабина пилота была оборудована двойным управлением и двумя индикаторами РЛС. Кислородная система была индивидуальная для каждого лётчика, с общим запасом в 6 литров. В двух фюзеляжных топливных баках вмещалось 3300 литров. Задний бак имел специальный 45 литровый отсек для питания двигателя в перевёрнутом полёте. Подобная система была испытана на МиГ-15 «СВ», а затем внедрена на серийных МиГ-15. Кроме внутреннего запаса топлива, И-320 мог нести два подвесных 750 литровых топливных бака. Вооружение самолёта состояло из двух 37-мм пушек Н-37, расположенных по бокам носовой части фюзеляжа.

Опытный самолёт И-320 «Р-1» был построен в апреле 1949 г. 16 апреля самолёт совершил первый полёт, пилотировали машину лётчики-испытатели Я.И.Верников и Амет-Хан Султан. Несколько полётов на самолёте выполнил командующий истребительной авиацией ПВО Е.Я.Савицкий. После заводских испытаний начались государственные, которые самолёт не выдержал из-за поперечной неустойчивости и «валежки». В одном из полётов на перехват «летающей крепости» В-17 самолёт И-320 попал в спутную струю от винтов, в результате чего произошел его резкий бросок.

В начале 1949 г. был готов второй образец самолета «Р-2». На нем заменили двигатели на ВК-1, которые дали прирост скорости всего на 3%. Фонарь кабины был немного повыше, что улучшило обзор из кабины. В передней кромке крыла и стабилизатора установлены антиобледенители. Вооружение усилили, в передней части установлены три пушки Н-37, одна слева и две справа. В начале испытаний на И-320 «Р-2», как и на первой машине, стояла РЛС «Торий», но затем её заменили на РЛС «Коршун».

В процессе заводских испытаний с декабря 1949 г. по сентябрь 1950 г. было выполнено 100 полётов на штопор, сброс фонаря в воздухе, катапультирование, ночные полёты и т.д. 13 марта 1950 г. испытания были прерваны из-за сильного повреждения носовой части фюзеляжа разорвавшимся в пушке снарядом. После ремонта модифицированный И-320 «Р-2» превратился в «Р-3». Также в новой модификации было уменьшено поперечное V крыла, увеличена длина интерцепторов, установлен автомат открытия воздушных тормозов и на каждую консоль был добавлен дополнительный аэродинамический гребень. Государственные испытания самолёт И-320 снова не прошел. Построенные опытные истребители долгое время использовались для испытания нового оборудования. ОКБ А.С.Яковлева, приступившее к программе позже, сделало самолёт Як-25М, который и был принят на вооружение ПВО страны.

Тактико-технические характеристики И-320
Экипаж, чел   1
Размах крыла, м   14.22
Длина, м   15.77
Площадь крыла, м2   41.2
Масса, кг   
- пустого самолета   7827
- нормальная взлетная   10725
- максимальная взлетная   12095
Тип двигателя   2 ТРД ВК-1
Тяга, кгс   2 х 2700
Максимальная скорость, км/ч   
- у земли   1040
- на высоте   994
Крейсерская скорость, км/ч   904
Дальность полета, км   1940
Максимальная скороподъемность, м/с 2175
Практический потолок, м   15500
Вооружение:  три 37-мм пушки Н-37 (по 60 снарядов)