Opracowanie modyfikacji i wdrożenie ich w drugim prototypie (4148) zajęło dwa lata. Średnica wirnika została zmniejszona z 7,32 m do 7,01 m. Wirnik trójłopatowy został zastąpiony wirnikiem dwułopatowym. Maszty zostały znacznie skrócone, a skrzydła z pylonami śmigieł zostały ustabilizowane i usztywnione dodatkowymi rozpórkami. Usterzenie otrzymało również dodatkowy statecznik pionowy.
Drugi, udoskonalony model zaliczył pierwszy lot 12 grudnia 1958 a 18 grudnia 1958 roku wykonano pierwsze pełne przejście z trybu śmigłowca do trybu samolotu. W późniejszym locie XV-3 osiągnął prędkość 220 km/h w konfiguracji samolotowej.
Począwszy od 1959 roku, XV-3 był testowany w Bazie Sił Powietrznych Edwards. Pomimo znacznych zmian i ciągłych modyfikacji, drgania udało się zredukować, ale nigdy całkowicie wyeliminować tak jak i problemów ze stabilnością. Z tego powodu XV-3 został ostatecznie uziemiony w 1962 roku. W sumie w powietrzu spędził 125 godzin podczas 270 lotów.
Bell kontynuował jeszcze testy XV-3 w tunelu aerodynamicznym NASA przez kolejne sześć lat. Podczas jednego z tych testów, w 1968 roku, doszło do awarii lewego pylonu wirnika.