В течение первой недели марта прототип F.37/34, получивший регистрационный номер К5054, находился в ангаре аэродрома Истлей. готовясь к летным испытаниям. В это время металлическая обшивка самолета оставалась неокрашенной. Обшитые материей руги и элероны покрасили серебристой краской, а на крыльях и фюзеляже нанесли кокарды Королевских ВВС. Самолет имел деревянный двухлопастный винт небольшого шага, оптимизированный на взлет и полет с небольшой скоростью. В то время убирающееся шасси все еще считалось технической новинкой, поэтому первое время стойки заклинили в выпущенном положении.

Самолет облетал 5 марта 1936 года главный летчик-испытатель фирмы «Виккерс» капитан Дж. Саммерс. Первый полет продолжался около 20 минут. После посадки, еще не выбравшись из кабины Саммерс сказал:

«Не надо ничего трогать». Саммерс считал, что самолет можно передавать для дальнейших испытаний в том виде, в каком он был.

Вскоре самолет оснастили винтом, имеющим большой шаг. Начались испытания максимальной скорости. Кроме того, шасси разблокировали, включили механизм уборки и добавили щитки. 10 марта во втором полете Саммерс в полете впервые убрал шасси. Третий полет состоялся 11 марта.

В это время обнаружились проблемы с двигателем, потребовавшие его замены. После замены, 24 марта, самолет снова облетали. На этот раз его пилотировал главный летчик-испытатель фирмы «Супермарин» — Джордж Пикеринг. 26 марта самолетом управлял Джеффри Квилл. Приземлившись, Квилл снова поднялся в воздух. При этом он забыл убрать закрылки, которые на прототипе выпускались на 57 гр, но самолет благополучно поднялся в воздух.

Единственный обнаруженный недостаток самолета заключался в чрезмерной угловой балансировке руля направления, в результате чего усилие на руле оказалось минимально, а при больших скоростях это приводило к недостаточной стабильности на курсе. Других серьезных недостатков выявить не удалось. Но скорость самолета оказалась значительно ниже предполагаемых 560 км/ч. Имелась надежда, что ее удастся достичь, доработав конструкцию самолета, и подобрав для него винт.

В начале апреля закончился предварительный этап испытаний и прототип К5054 передали для наземных резонансных испытаний. С этой целью Джордж Пикеринг перегнал 6 апреля самолет в Фарнборо. В ходе испытаний доказали возможность возникновения флаттера при скоростях меньших, чем предполагалось. Предельной безопасной скоростью для прототипа оказалась скорость 610 км/ч. 9 апреля Пикеринг перегнал машину обратно в Истлей.

На следующий день самолет поставили в ангар для новой доработки. Прежде всего уменьшили угловую балансировку руля направления, увеличив взамен площадь киля. Затем сделали уже горловину воздухозаборника карбюратора, подняв тем самым давление входящего воздуха. Далее, усилили створки капота, которые гремели в полете. После этого прототип впервые окрасили в серо-голубой цвет. Самолет окрасили работники фирмы, имевшей эксклюзивный контракт с «Роллс-Ройсом» на окраску машин этой фирмы. Увеличить максимально допустимую скорость самолета можно было только радикально изменив конструкцию крыла, поэтому на К5054 крыло оставили без изменений.

Примерно в это же время Министерство авиации согласилось официально присвоить самолету название «Спитфайр». Сам Митчелл был очень недоволен этим решением. Он воскликнул: «Это достаточно дурацкое имя, чтобы они могли его утвердить!». Любопытно, в 1936 году прототип К5054 назывался «Спитфайр II» в отличие от «Спитфайра I» — «типа 224».

Полеты возобновили 11 мая. Утром того дня Джеффри Квилл совершил более чем часовой полет, разгоняя самолет и испытывая его поведение после доработки. С новым рулем самолет значительно увереннее держался на курсе. Во второй половине дня Саммерс поднял «Спитфайр» в воздух для первой фотографической сессии. Квилл пилотировал авиетку, в которой находились Джон Йоксалл из журнала «Флайт» и Реджинальд Митчелл, который хотел посмотреть на свое детище в полете.

14 мая Квилл проводил испытания в пикировании. Набрав скорость 610 км/ч по приборам (в действительности скорость составила 750 км/ч), он услышал гул. Пилот вывел самолет из пикирования и вернулся в Истлей. На земле оказалось, что оторвалась нижняя часть щитка на левой стойке шасси, ударив при этом по днищу фюзеляжа.

Повреждения оказались минимальны, и на следующий день самолет был готов к очередному полету. Теперь главным было как можно скорее отправить машину на государственные испытания в Мартлсхем-Хит. Истребитель фирмы «Хоукер» (будущий «Харрикейн») уже прибыл на испытания, поэтому дальнейшие задержки могли привести к аннулированию государственного заказа. Но на этом этапе «Спитфайр» еще не был готов к официальным испытаниям. Несмотря на все ухищрения, самолет невозможно было разогнать в горизонтальном полете более чем на 540 км/ч. По данным, имевшимся у фирмы «Супермарин», их конкурент развивал скорость более 530 км/ч. Такая небольшая разница в скорости не могла считаться достаточной для уверенной победы в конкурсе. К счастью, вскоре удалось обнаружить, что у законцовок крыла происходят явления волнового кризиса. Самолет получил новый винт, с которым 15 мая развил в горизонтальном полете скорость 560 км/ч. После еще одного полета самолет вернулся в ангар для окончательной подготовки к испытаниям в Мартлсхем-Хите. Теоретически, самолет следовало вооружить, но в это время пулеметы еще не поступили. На совещании в штабе авиации 22 мая подняли вопрос о вооружении «Спитфайра». Было решено, пока пулеметов нет, установить как на «Спитфайре», так и на «Харрикейне» аналогичный по массе балласт.

26 мая все было готово и Саммерс перегнал «Спитфайр» в Мартлсхем-Хит. Как обычно, новый самолет взвесили, измерили и осмотрели. Обычно, первый полет происходил не раньше чем через десять дней по прибытии. Но в случае со «Спитфайром» поступило указание как можно быстрее поднять самолет в воздух. Поэтому в тот же день самолет облетал флайт-лейтенант Хампфри Эдвардс-Джонс, командир звена «А» на базе. 20-минутный полет подтвердил хорошие характеристики самолета и простоту его пилотирования. Заходя на посадку пилот забыл выпустить шасси и опомнился буквально в последний момент. Можно было бы только предполагать, что бы случилось, если прототип разбился в первый же день испытаний. В соответствии с приказом Эдвардс-Джонс позвонил в Министерство авиации сразу же после посадки. Ему сразу задали вопрос: «Сможет ли молодой летчик управлять этой машиной?». Пилот ответил утвердительно, но, вспомнив недавние события дня, добавил, что требуется оснастить самолет индикатором положения шасси. Так решилась судьба «Спитфайра». Самолет был принят к серийному производству.

На следующий день с самолета слили остатки масла и бензина, и отправили самолет на весы. Центр в Мартлсхем-Хите имел точные весы для взвешивания самолетов. Сухая масса прототипа составила 1851,5 кг. Нормальная взлетная масса (338 л бензина, 32 л масла, пилот 90 кг и 198 кг оснащения — пулеметы, боекомплект и радиостанция) составила 2431 кг. Затем провели серию испытаний, определяя центр тяжести самолета при разных схемах расположения масс. Заднюю границу определили в 251 мм за плоскостью отнесения (эта плоскость проходила по передней наружной поверхности бензобака). Она соответствовала нормальному снаряженному состоянию самолета но без 68 кг боекомплекта, соответствующих 2400 выстрелам. Крайнее переднее положение центра тяжести находилось в 213 мм за плоскостью отнесения, что соответствовало отсутствию радиостанции (24,5 кг) и 270 л топлива (209,5 кг), то есть с резервом топлива на один час полета.

Во время проб 6 и 8 июня официально замерили максимальную скорость самолета. Она составила 561 км/ч на высоте 5100 м. Испытания в Мартлсхем-Хите продолжались до 16 июня, когда Квилл снова отогнал прототип в Истлей. Там самолет планировалось через два дня продемонстрировать прессе. В полете выявилась утечка масла. Тщательный осмотр самолета причины утечки не выявил. Было решено самолет показать. В последний момент перед отрывом Квилл обнаружил, что масла в двигателе нет совсем. Сделав небольшой круг на минимальных оборотах, Квилл красиво посадил машину. Многочисленные журналисты ни о чем не догадались. Позднее выяснилось, что отсоединился один из маслопроводов, по которому масло быстро выливалось. Проработавший «на сухую» двигатель требовал немедленной замены.

27 июня Эдвардс-Джонс продемонстрировал К5054 во время показа самолетов Королевских ВВС в Хендоне. Через два дня Саммерс показал несколько фигур высшего пилотажа на К5054 во время выставки Британского общества авиационных конструкторов (Society of British Aircraft Constructors — SBAC) в Хатфилде. Это общество и до ныне каждые два года организует показы самолетов в Фарнборо.

1 июля прототип снова перегнали в Мартслхем-Хит для дальнейших испытаний. 8 июля центр посетил король Эдуард VIII. После обеда состоялась демонстрация новых самолетов. Прототип К5054 пилотировал командир эскадрильи Девид Андерсон.

Все это время отмечались проблемы со створками колесных ниш и щитками стоек шасси. В середине июля провели испытания, желая установить, насколько их наличие или отсутствие влияет на аэродинамику самолета. В пределах точности измерения никакой разницы не обнаружилось. Поэтому с 24 июля «Спитфайр» летал уже без створок колесных ниш. В конце испытаний самолет оснастили трехлопастным винтом «Фейри-Рид». 29 июля Джеффри Квилл прибыл в Мартлсхем-Хит для испытаний самолета с новым винтом. Оказалось, что взлет проходит так же, но скороподъемность и горизонтальная скорость упали. Поэтому самолету вернули прежний винт, а 1 августа Квилл перегнал К5054 обратно в Истлей.

После завершения государственных испытаний самолет оснастили радиостанцией и пулеметами, а также устранили некоторые отмеченные недостатки. Это заняло больше времени, чем предполагалось. Следующий полет состоялся лишь 3 декабря. На самолете при этом стоял двигатель «Мерлин F» мощностью 1065 л.с. на высоте 4875 м.

С 7 по 16 декабря Квилл проводил испытания по вводу и выводу самолета в штопор. Выяснилось, что при любом положении центра тяжести, самолет легко выходит из штопора. 19 и 20 декабря самолет летал с трехлопастным винтом «Де Хевиленд» с изменяемым шагом (два положения). Зимой 1936/37 г.г. проходили также оригинальные испытания с применением… сушеного гороха. Все заклепки на наружной обшивке были с потайной головкой, но это усложняло технологию сборки самолета и удорожало его выпуск. Поэтому было решено испытать самолет в таком виде, если бы он имел обычные заклепки с полукруглой головкой. Поэтому техники заклеили все заклепки колотым горохом, имитируя полукруглые головки. Испытания показали, что заметно ухудшают характеристики самолета только заклепки на крыльях и хвостовом оперении. Поэтому на серийных самолетах фюзеляжи собирались с использованием обычных заклепок с полукруглой головкой. В декабре самолет оснастили хвостовым колесом, заменив им применявшийся до той поры костыль.

26 февраля начались пробные стрельбы из пулеметов — сначала на земле, затем в полете. 10 марта на высоте 10000 м отказали семь из восьми пулеметов — на большой высоте замерзла смазка в замках. Именно тогда был поставлен вопрос о необходимости создать эффективную систему обогрева пулеметов.

22 марта произошла первая крупная авария. Из-за отказа двигателя летный офицер Сэм Маккенна совершил вынужденную посадку в поле. Самолет получил сравнительно небольшие повреждения, но ему требовался ремонт. Кроме того, самолет решили оснастить экспериментальной системой обогрева пулеметов. Наконец, с самолета счистили прежнюю краску и покрыли боевым камуфляжем: пятнистым зелено-коричневым сверху и сплошным серебристым снизу.

В это время резко ухудшилось состояние здоровья Реджинальда Митчелла. У конструктора обнаружили рак. Он умер 11 июня 1937 года в возрасте 42 лет. На должности главного конструктора фирмы «Супермарин» Митчелла заменил Джо Смит.

Отремонтированный К5054 снова взлетел 9 сентября 1937 года. Через десять дней его оборудовали новыми выхлопными трубами. Благодаря своей форме они давали тягу порядка 300 Н. Это увеличило максимальную скорость прототипа до 580 км/ч. На самолете испытывались различные системы обогрева вооружения. Совершались пробные ночные полеты. Джеффри Квилл установил, что без доработки «Спитфайр» на роль ночного истребителя не годится. Языки пламени, вырывающиеся из выхлопных труб, слепили пилота. Фланг-лейтенант Хайд, который проводил аналогичные испытания от лица военных, подобной проблемы не отметил.

15 марта 1938 года прототип К5054 попал в новую аварию. В ходе третьей посадки за одну ночь сержант Уэрхем уткнул самолет носом в землю. Причиной аварии стала слишком большая скорость самолета во время касания земли. Пневматической системе не хватило мощности полностью выпустить закрылки на такой скорости. Самолет быстро отремонтировали и оснастили более мощным компрессором.

23 марта произошла еще одна авария. При жесткой посадке сорвало крепление левой стойки шасси, в результате стойка пробила крыло насквозь. Для ремонта потребовалось четыре месяца. Следующий полет состоялся уже 19 июля. Тем временем — 15 мая — облетали первый серийный «Спитфайр». В дальнейшем прототип использовали для отработки второстепенных узлов, например, системы обогрева пулеметов. Наладить стабильную работу вооружения на холоде удалось лишь к середине октября 1938 года.

7 ноября К5054 перегнали в Фарнборо. Сначала на прототипе пытались побить мировой рекорд скорости. 20 мая 1939 года машину в последний раз показали публике. Флайт-лейтенант Холл пилотировал К5054 в Одигеме во время Имперского дня авиации.

Карьера прототипа К5054 закончилась 4 сентября, в день вступления Великобритании во Вторую Мировую войну. Флайт-лейтенант Уайт испытывал на самолете новые свечи зажигания. Садясь в Фарнборо он неправильно оценил высоту и жестко посадил машину. Истребитель капотировал. Уайт получил тяжелую травму позвоночника и через четыре дня скончался в госпитале.

К этому времени главные испытания проводились на серийных истребителях. Конструкция К5054 уже сильно отличалась от серийных самолетов, поэтому ремонтировать прототип не стали. Но и на слом его не отправили. На уцелевшем фюзеляже в Фарнборо разрабатывался способ оснастить самолет фотокамерой.

Самолет К5054 обошелся казне в 15776 фунтов стерлингов. Редко когда деньги английских налогоплательщиков использовались столь эффективно.