Первый серийный самолет (К9787) поднялся в воздух лишь 15 мая 1938 года. Его облетал Джеффри Квилл. Испытатель убедился, что характеристики самолета не ухудшились, а некоторые даже улучшились. В частности, благодаря большему углу отклонения закрылков самолет стал увереннее вести себя при посадке. Испытания на флаттер в Фарнборо показали, что самолет можно безопасно разгонять до 755 км/ч, то есть требование Министерства авиации удалось перевыполнить на 30 км/ч. Но появилась новая проблема. При скоростях пикирования больше 640 км/ч физические усилия для работы элеронами превосходили возможности нормального человека. Но этот недостаток оставили без исправления, так как считалось, что подобные экстремальные режимы пилотирования встречаются редко и не требуют активного маневрирования.
Выпуск и дальше шел с опозданием. Первый самолет поступил заказчику лишь 19 июля. Это был самолет К9788, второй серийный экземпляр. Его тут же отправили в Мартлсхем-Хит. 27 июля туда же отправился и первый серийный истребитель К9787. 4 августа 19-я эскадрилья, дислоцированная в Даксфорде, получила «Спитфайр» К9789. Следующий самолет К9790 поступил в эскадрилью 11 августа, а К9792 — 16 августа. Машина К9791 осталась на фирме для испытаний.
В сентябре 1938 года Королевские ВВС получили только два «Спитфайра», а в октябре — уже 13. К началу 1939 года заказчик получил уже 49 машин. Все эти самолеты не имели одной важной детали — обогрева пулеметов. Это означало, что на большой высоте пулеметы с большой вероятностью могут отказать. Лишь в начале 1939 года, передав Королевским ВВС уже 60 машин, фирма «Супермарин» начала ставить на пулеметы систему обогрева.
Итоговая стоимость первых 310 планеров «Спитфайр» составила 1870242 фунта стерлингов, в среднем 6033 фунтов стерлингов за штуку. То есть самолет стоил на 1533 фунта стерлингов больше, чем предполагалось. В 1937 году поступил новый заказ на 200 «Спитфайров» по цене 5696 фунтов за штуку.
Война приближалась, становилось ясно, что небольшая фирма «Супермарин» из пригородов Саутгемптона не сможет дать нужного числа истребителей. Поэтому правительство финансировало строительство крупного завода в Касл-Бромвич под Бирмингемом, с целью выпускать там истребители «Спитфайр» и бомбардировщики «Веллингтон». Предприятие контролировал автомобильный концерн «Моррис Моторз Лтд». Строительство цехов началось в июле 1938 года.
Опыт эксплуатации первых «Спитфайров» обнажил некоторые недостатки. Стартер оказался слишком слабый, из двигателей подтекало масло, ручной выпуск шасси требовал больших физических усилий от пилота, а высоким пилотам приходилось сутулиться, чтобы закрыть фонарь. Все эти недостатки уже были известны и соответствующие модификации подготовлены. Проблему с пуском двигателя решил новый стартер с большей скоростью вращения. Выпуклый фонарь оставлял место даже для самых рослых пилотов. Систему выпуска шасси оснастили гидравлическим приводом. Все эти доработки довольно быстро внедрили в производство. Труднее пришлось с герметизацией двигателя. Эту проблему полностью решить не удалось на протяжении всей боевой карьеры истребителя.
Первые 77 «Спитфайров» получили деревянные двухлопастные винты. Начиная с 78-го экземпляра стандартом стал металлический трехлопастный винт «Де Хевиленд». К тому времени все самолеты получили выпуклые фонари кабины. В крылья подавался теплый воздух от работающего двигателя, обдувающий пулеметы. О наличии системы обдува пулеметов теплым воздухом свидетельствовало небольшое выпускное отверстие на нижней стороне крыла за пулеметами.
Тем временем встал вопрос о вооружении самолета более мощным оружием. Выбор руководства Королевских ВВС пал на французскую 20-мм пушку «Испано», как имевшую наибольшую пробивную способность. В июле 1939 года в Мартлсхем-Хит состоялись испытания «Спитфайра» L1007, вооруженного двумя пушками «Испано» с боекомплектом 60 выстрелов на ствол вместо восьми штатных пулеметов. Хотя две пушки весили на 4,5 кг легче восьми пулеметов, максимальная скорость уменьшилась на 5 км/ч из-за массивных стволов и обтекателей барабанов с боекомплектом. Во время испытаний на полигоне в Орфорднесс пушки постоянно отказывали, особенно после резких маневров. Выяснилось, что пушка «Испано» проектировалось для установки в развале блока цилиндров двигателя. Массивный двигатель должен был брать на себя энергию отдачи. Установка пушки в крыле привела к тому, что пушка деформировалась при стрельбе. 13 января пайлот-офицер Джордж Праудмен провел первый воздушный бой на пушечном «Спитфайре». Летчик атаковал немецкий бомбардировщик Не 111. Прежде чем обе пушки отказали, он успел сделать один выстрел из правой и 30 выстрелов из левой пушки. Тяжело поврежденный бомбардировщик был добит другим истребителем. Этот бой показал как эффективность пушечного вооружения, так и низкую надежность пушек «Испано».
Первые бои с Bf 109 состоялись во время эвакуации Дюнкерка. К тому времени «Спитфайры» уже заметно отличались от машин первой производственной серии. Внешне они отличались трехлопастными винтами «Ротол» или «Де Хевиленд» с автоматической регулировкой шага, а также толстым лобовым бронестеклом. В хвостовой части самолета установили устройство определения «свой-чужой» (Identification Friend or Foe — IFF), антенны которого проходили по обоим бортам до хвостового оперения. Самолет оснастили бронеплитами общей массой 33 кг. Плиты находились под сиденьем и за спинкой кресла пилотов, а также перед баками с топливом и этиленгликолем. Сверху верхний бензобак закрывал лист обшивки большей толщины.
Весной 1940 года самолеты стали заправлять бензином с октановым числом 100 вместо 87. Хотя на высотах более 5000 м это практически никак не сказывалось на характеристиках самолета, на небольших высотах удалось поднять давление во впускном тракте с 4,3 до 8,3 гПа без риска детонации. В результате мощность двигателя повысилась. На уровне моря максимальная скорость возросла на 40 км/ч, а на высоте 3000 м — на 55 км/ч.
В результате всех переделок взлетная масса самолета увеличилась на 152 кг до 2792 кг. Некоторые элементы сказались на скорости самолета. Так, лобовое бронестекло стоило 10 км/ч, а антенны устройства «свой-чужой» — 3 км/ч. Обычно в качестве скорости «Спитфайра I» — 582 км/ч (362 миль/ч) на высоте 5640 м (18500 футов) — приводится скорость первого серийного самолета К9787, весившего 2640 кг. Летом 1940 года максимальная скорость полностью оснащенного серийного «Спитфайра Mk.I» составляла всего около 560 км/ч на той же высоте.
Поздней весной 1940 года было решено, что пушечная модификация достаточно доведена, чтобы ее использовать на фронте. Для различения пушечного и пулеметного варианта им присвоили обозначения: Mk.IB и Mk.IA соответственно.
«Битва за Англию» стала экзаменом для всех Королевских ВВС. По сравнению с Bf 109Е — главным соперником «Спитфайра Mk.I» — английский истребитель был немного быстрее на высотах до 4500 м и немного медленнее на высотах более 6000 м. Практически на всех высотах и скоростях «Спитфайр» превосходил «Мессершмитт» на горизонтали, зато «Мессершмитт» превосходил «Спитфайр» на вертикали. Но упомянутые различия между обоими истребителями были минимальны. В реальном бою гораздо сильнее ощущались тактическое превосходство: кто первым заметил противника, кто имел преимущество в высоте, кто зашел со стороны солнца, у кого лучше координированы действия, и т. д.
«Спитфайр» отрывался от «Мессершмитта», уходя в вираж. «Мессершмитт» отрывался от «Спитфайра», уходя в пике. «Мессершмитт», оснащенный двигателем с непосредственным впрыском топлива, увереннее проводил резкие маневры, тогда как «Спитфайр», оснащенный поплавковым карбюратором, неуверенно себя чувствовал в резких маневрах. Столкнувшись с этой проблемой специалисты из «Роллс-Ройса» и в Фарнборо лихорадочно искали выход в создавшейся ситуации. Такое решение удалось найти, но быстро внедрить его не смогли.
Чтобы лично ознакомиться с проблемами боевого применения самолета, Джеффри Квилл в августе-сентябре 1940 года служил в составе 65-й эскадрильи в Хорнчерче. 16 августа он сбил Bf 109, а 18 участвовал в коллективной атаке на Не 111. Вернулся он на фирму с четким представлением о том, что нужно изменить в конструкции самолета. Важнее всего было наладить работу элеронов при пикировании с большой скоростью. При скорости больше 640 км/ч элероны, по сути, блокировались, и пилоту приходилось прикладывать огромные усилия, чтобы хоть немного отклонить их от нейтрального положения. (Надо заметить, что на Bf 109 имелась та же проблема).
Причину блокировки элеронов на большой скорости вскоре удалось установить. Воздушный поток выгибал матерчатую обшивку элерона вверх, при этом задняя кромка элерона становилась толстой и парусила. Было решено заменить матерчатую обшивку элеронов металлической. В ноябре 1940 года Квилл облетал самолет с новыми элеронами и нашел, что проблема практически решена. «Спитфайр» с металлическими элеронами направили в Тангмер, где его принял командир 602-й эскадрильи Сэнди Джонстоун. Вскоре он составил рапорт, в котором отметил: «Эффективность новых элеронов возросла настолько, что я бы не поверил, если бы сам не испытал самолет». Тут же началась замена элеронов на всех самолетах.
