W Modelu 3 kabina pilota znajdowała się za silnikiem i była przesunięta daleko do tyłu samolotu, co mogło powodować problemy z widocznością z niej. W Modelu 4 kabina znajdowała się przed silnikiem samolotu i ten projekt był dalej rozwijany.
Na początku 1937 roku zakończono prace na dokumentacją i po zatwierdzeniu jej przez wojsko, 7 października 1937 roku rozpoczęto budowę prototypu, który oznaczono jako XP-39 (Model 12). Prototyp był napędzany silnikiem Allison V-1710-17 wyposażonym w turbosprężarkę typu General Electric B-1, co miało zapewnić dobre osiągi na dużych wysokościach. Cechą charakterystyczną były umieszczone po bokach kadłuba wloty powietrza, po lewej stronie do chłodnicy, po prawej do turbosprężarki. Prototyp oblatano 6 kwietnia 1939 roku. Miał on masę startową 2480 kg, ale pozbawiony był uzbrojenia i osiągnął prędkość maksymalną 628 km/h na pułapie 6100 metrów, była to najwyższa szybkość maksymalna jaką kiedykolwiek osiągnęła którakolwiek wersja tego samolotu. Czas wznoszenia na wysokość 6100 metrów wynosił 5 minut. Pierwotnie planowano, że samolot będzie uzbrojony w działko 25 mm, ale w grudniu 1938 roku podjęto decyzję o zastosowaniu w samolocie działka kal. 37 mm, jednak nie zamontowano go w prototypie. Zakładano, że po poprawkach samolot z łatwością przekroczy prędkość 644 km/h (400 mil na godzinę).