Второй опытный вертолет Ми-6, построенный в феврале 1958 года, был оснащен новым оборудованием, включающим трехканальный автопилот АП-31 и управляемое двухпозиционное крыло размахом 14,2 м и площадью 35 м² (его консоли имели различные углы установки из-за несимметричности воздушного потока, отбрасываемого несущим винтом; при переходе на режим авторотации угол установки консолей уменьшался).

В августе 1958 года оба опытных вертолета Ми-6 (бескрылый и с крылом) демонстрировались на воздушном празднике в Тушино. В декабре 1958  года были завершены заводские испытания вертолета с крылом (их проводили летчики-испытатели МВЗ), и Ми-6 был передан на государственные испытания военным летчикам-испытателям ГК НИИ ВВС. Во время этих испытаний 16 апреля 1959 года были установлены два новых мировых рекорда: военный экипаж в составе С.Г. Бровцева, П.И. Шишова и борттехника В.Ф. Коновалова поднял груз массой 5000 кг на высоту 5584 м, а заводские летчики-испытатели Р.И. Капрэлян и второй пилот Н.В. Лешин - груз массой 10000 кг на высоту 4885 м. Первый мировой рекорд скорости полета по замкнутому 100-километровому маршруту (Тушино - Истра - Голицыно - Тушино) — 268,92 км/ч — был установлен на Ми-6 21 сентября 1959 года. Пилотировал вертолет заводской экипаж в следующем составе: командир Б.В. Земсков, второй пилот Н.В. Лешин, штурман-испытатель С.И. Клепиков и бортинженер С.Г. Бугаенко. Эти три новых мировых рекорда Ми-6 стали логическим продолжением первых двух и своеобразной прелюдией к серии новых замечательных рекордов.

Экипаж вертолета Ми-6 после рекордного полета с подъемом груза 12000 кг: командир Р.И. Капрэлян (в центре), второй пилот Г.В. Алферов (справа) и бортинженер Ф.И. Новиков

Выдающегося результата добился заводской экипаж Ми-6, возглавляемый Н.В. Лешиным (второй пилот В.П. Колошенко, бортинженер Ф.И. Новиков) 21 сентября 1961 года. На мерной базе 15-25 км была достигнута скорость 320 км/ч, утвержденная FAI в качестве мирового рекорда (на 10 км/ч выше рекорда скорости полета на мерной базе 3 км, установленного 17 мая 1961 года американским вертолетом S-61). Отмечая этот рекорд как успех конструкторского бюро М.Л. Миля, Американское вертолетное общество присудило главному конструктору М.Л. Милю Международный приз имени И.И. Сикорского в знак «признания выдающегося достижения в развитии вертолетостроительного искусства».

Совершенствование конструкции вертолета Ми-6 (в первую очередь — его несущего винта) позволило подготовить и установить ряд новых мировых рекордов. В сентябре 1962 года на вертолете Ми-6 было установлено 11 мировых рекордов скорости полета и подъема максимального груза, показавших всему миру, что Ми-6 является не только самым грузоподъемным, но и самым скоростным вертолетом в мире.

Второй опытный Ми-6 с крылом