Конструкция низкоплана И-21 смешанная. Передняя часть фюзеляжа до кабины пилота представляла собой пространственную ферму из стальных труб, обшитую дюралевыми листами. Кабина пилота - закрытая с фонарем, имеющим хороший обзор назад. Правда, фонарь был не сдвижной назад, а открывался вправо. Этого недостатка конструкторы А.Яковлев и С.Лавочкин не допускали, применяя с 1942 года фонари такого типа на своих истребителях. Хвостовая часть фюзеляжа типа монокок выполнялась из деревянного шпона. Центроплан из хромансилевых труб имел несущую фанерную обшивку. Крыло И-21 профиля НАСА-0012 с щитками и закрылками трапециевидное в плане с закругленными концами. Консоли деревянные с работающей фанерной обшивкой.

Во время заводских испытаний первого экземпляра летчики П.Стефановский и С.Супрун отметили, что истребитель недостаточно устойчив в воздухе. Для устранения этого дефекта конструкторы на втором экземпляре применили крыло с небольшим углом стреловидности. Этот экземпляр истребителя показал себя более устойчивым. У земли его максимальная скорость полета достигала 488 км/ч, а на высоте 5 тыс. м - 573 км/ч. С учетом испытаний первых двух истребителей в январе 1941 года был построен третий опытный экземпляр И-21. Его крыло было с большей стреловидностью и прямоугольными концами. Вместо двух крыльевых, на нем под моторамой установили один серпообразный маслорадиатор. Была уменьшена высота водорадиатора. Вместо индивидуальных патрубков на двигателе поставили выхлопные коллекторы. Была несколько увеличена и площадь киля, бортовое вооружение истребителя состояло из мотор-пушки калибра 23 мм и двух синхронных пулеметов ШКАС.

Во время испытаний третий вариант И-21 показал скорость у земли 506 км/ч, а на высоте 4750 м более 580 км/ч. По сравнению с основным истребителем фашистской Германии Ме-109Е третий опытный экземпляр И-21 развивал у земли скорость большую, чем «мессершмитт» на 66 км/ч и на 34 км/ч большую на расчетном высоте. Лучше, чем у Me-109Е была и скороподъемность И-21. Хотя секундный залп бортового оружия И-21 и Ме-109 был по весу примерно одинаков, огневая мощь советского самолета оказалась большей, так как калибр пушки и начальная скорость снарядов и пуль были выше, а их рассеивание меньше. Третий экземпляр И-21 отличался хорошей устойчивостью и управляемостью, простотой пилотирования. Но посадка на нем была более сложной, чем на уже принятых в серийное производство истребителях Як-1 и ЛаГГ-3. Отдельные удачные конструктивные решения (капоты мотора, кок винта и др.), полученные при создании И-21, нашли применение на серийно выпускающихся самолетах с двигателями М-105 и М-105П.