01批4次部分射程飞行试验完成了对东风三号设计方案正确性和协调性的考核。各系统采用的新技术、新材料、新工艺，使导弹的各项技术指标，尤其是导弹的结构系数、发动机的比推力、控制系统的精度等，比东风二号有了显著的提高。
01批的飞行试验完成之后，东风三号即转入02批的研制，并开始在新建的华北导弹试验场进行全程飞行试验。1966年11月，周恩来批准了国防科委关于建设华北导弹试验场的报告。华北试验场于1967年4月破土动工，1968年10月建成了中程地地导弹全程飞行试验的设施。
1968年9月，一院制订了东风三号02批一组飞行试验大纲，以检验武器装备各系统的性能。为保证飞行试验成功，一院决定在遥测弹总装出厂之前开展质量复查。重点是复查更改设计的部分，同时开展故障预想活动，制订相应的对策预案。1968年12月11日、13日，周恩来召集中央专委会会议，听取钱学森关于 “东风三号”中程地地导弹的试验报告。14日，他向毛泽东建议批准这次试验，并说：“试验结果，无非成功或失败，即使失败，也可在发射过程中取得改进根据，以利再试。”12月18日，02批第一枚遥测弹从华北导弹试验基地发射，成功地完成了全程飞行试验，射程2517.3千米，落点偏差纵向近2.471 千米，横向左8.789千米。试验成功后的第二天，周恩来对国防科委和七机部的两派群众代表说：“东风三号”地地导弹试验正是七机部武斗打得最凶的时候搞的，许多部件不大合规格。但为什么能响?靠的是什么?靠的是我们工人阶级。老工人花了一个月的时间检查了多次，发现200多个问题，最关键的有70多个，老工人一个一个把它解决好。有些是重新搞，所以试验成功了。”1969年1月4日，第二枚遥测弹飞行试验再次获得成功。这两次飞行试验的成功表明，东风三号导弹修改后的设计方案是正确的。
1969年5月30日，中央军委办事组批准东风三号导弹开展定型工作。10月，国家计委、国防工办下达了东风三号导弹小批生产装备部队的任务。在华北试验场组织协同下，由战略导弹部队承担了一些发射任务，取得了良好效果。中央军委、中央专委充分肯定了这种研制、试验、使用部门紧密配合，把定型试验、检验试验与使用部队发射训练结合进行的做法。
1969年至1974年，华北导弹试验基地与部队紧密配合，对东风三号进行了大规模的科研试飞。为了全面检验导弹武器系统的环境适应、实战使用性能和工艺质量，还先后进行了东风三号导弹武器系统在高温、高湿和高寒地区的环境适应性试验;各种状态下的铁路、公路长距离运输试验;野战条件下的长期封存试验。尔后，将经过上述试验的导弹运到华北导弹试验场进行发射试验。试验部队在发射试验前，对导弹武器系统进行厂严格周密的测试检查，及时发现和排除故障，保证了飞行试验的成功。
如：02批1组3号弹曾进行在高温、高湿和高寒地区的环境适应性试验及乃腐蚀试验，并于1969年10月11日发射成功，落点偏差很小。这是二炮部队首次执行东风三号导弹试验发射任务，由802团一营执行。
02批2组8号弹曾在野外存放5个月，接触介质，淋雨后发射试验，并取得成功，落点偏差较小。02批3组弹做鉴定性试验前曾先进行过高海拔试验和1500千米长途公路运输试验。
