Badania wytrzymałościowe i sztywnościowe oraz ich program zostały wykonane pod kierunkiem mgr. inż. Tadeusza Chylińskiego w Zakładzie Wytrzymałości Instytutu Lotnictwa. PZL-104 Wilga 2, będący właściwym prototypem późniejszych samolotów Wilga, został oblatany 1 sierpnia 1963 roku. 30 grudnia 1963 roku oblatano wersję eksportową Wilga C z importowanym silnikiem Continental (w układzie płaskim). Zbudowano niewielką serię Wilga 2, przebudowanych następnie na Wilgi C i Wilgi 3.
Nierozwiązane problemy z układem chłodzenia silnika WN-6 (zacieranie się podczas lotu z małą prędkością) sprawiły, że postanowiono dostosować samolot do mocniejszego silnika gwiazdowego AI-14R, produkowanego na licencji radzieckiej, na skutek czego powstała wersja PZL-104 Wilga 3, oblatana 31 grudnia 1965 roku. Istotny był fakt, że silnik AI-14 był silnikiem reduktorowym i był przystosowany do wolnoobrotowego śmigła o wyjątkowo dużej średnicy ( – i o dużym ciągu statycznym) – co spowodowało bardzo dobre właściwości STOL i świetne rezultaty podczas holowania szybowców. Wymuszona instalacja silnika gwiazdowego zmieniła jednak dotychczasową smukłą linię kadłuba, projektowanego pod płaski silnik. Wilga 3 weszła do produkcji seryjnej i pod tym oznaczeniem powstało 13 samolotów (w tym 2 prototypy przebudowane z Wilgi 2).