Po zbudowaniu pierwszej serii samolotów w zakładach Grummana zaprojektowano jego drugą wersję – F3F-2 – z nowym silnikiem Wright R-1820 o mocy 950 KM (708 kW). Nowa konstrukcja powstała jako prywatna inicjatywa firmy, która zaplanowała produkcję 81 maszyn tego typu, jeszcze przed podpisaniem kontraktu na dostawę tego samolotu; kontrakt został ostatecznie podpisany dopiero 25 lipca 1936 r., dwa dni przed pierwszym lotem samolotu. Silnik Wrighta miał większą średnicę od wcześniej używanego silnika Pratt & Whitney co wymusiło powiększenie rozmiarów owiewki silnika, przez co samolot zaczął wyglądać jeszcze bardziej „beczkowato” niż jego poprzednik; niemniej prędkość maksymalna konstrukcji wzrosła do 410 km/h na wysokości 3600 m.
Cała seria F3F-2 została dostarczona do dywizjonów w latach 1937-38 i samoloty te stanowiły wyposażenie wszystkich siedmiu dywizjonów pościgowych Marynarki Wojennej i Korpusu Piechoty Morskiej. Już w czasie służby F3F-2 zmodyfikowano w zakładach Grummana do wersji F3F-3, która miała bardziej aerodynamiczne kształty i śmigło o większej średnicy. Ostatnia seria samolotów wersji F3F-3 została zamówiona przez US Navy 21 czerwca 1938 r.