Новый самолет значительно отличался от своего предшественника как внешним видом, так и внутренним устройством. На «муромце» фюзеляж был полного профиля и оканчивался застекленной головной частью, благодаря чему обзор вперед и в стороны был открыт. Высота фюзеляжа позволяла свободно, не сгибаясь, ходить внутри человеку среднего роста. Сверху над центропланом помещались два бензобака (по первому варианту вмещающие бензина на 3,5 часа полета). Сзади бензобаков был сделан балкон, обнесенный поручнями. Для выхода на балкон был сделан люк, к нему приставлялась легкая лесенка, по которой можно было подниматься на балкон в полете. С левого борта находилась задвижная дверь, а под ней стремя для ноги. Внизу, между стойками шасси, помещался нижний передний балкон, куда можно было спуститься через передний люк. Все оборудование – сиденье пилота и приборы – находилось в том же порядке, как и на «Русском витязе», а с правой стороны кресла был установлен компас шлюпочного типа. На крыльях были установлены в ряд 4 мотора «Аргус» по 140 л.с. (по два мотора с каждой стороны), и на каждом моторе были установлены счетчики оборотов, которые были хорошо видны командиру. Ввиду глубокого снежного покрова колеса шасси были заменены лыжами.
Сама конструкция самолета была несложной для изготовления, поэтому уже 10 декабря 1913 г. был совершен первый полет по прямой в пределах летного поля. После экспериментальных полетов с четырьмя, семью и даже десятью пассажирами самолет немного доработали и сняли некоторые детали. 26 января 1914 г. удалось совершить первый удачный полет по кругу. 12 февраля был установлен мировой рекорд по максимальному количеству пассажиров, поднятых на борту самолета. На «Илье Муромце» находились 16 человек и пес по кличке Шкалик, поселившийся на аэродроме. Снова Сикорского и его команду ждал успех – поднятый вес составлял 1290 килограммов.
Вторая модель «Ильи Муромца» была построена с учетом всех недостатков предшественника, а первый было решено переделать в гидросамолет. Новый «муромец» должен был преодолеть высоту 1000 метров, для чего было установлено четыре двигателя «Аргус» по 140 л.с. (внутренние) и по 125 л.с. (внешние).
Самолет открыл новую эру мировой тяжелой многомоторной авиации. В начале июля конструктор окончательно переделал машину, установив все четыре мотора в ряд по крылу. Так окончательно сформировался облик тяжелого многомоторного самолета.