В апреле-июне 1944 г. построили серию Як-9К из 53 самолетов, которые хорошо проявили себя на фронте. За время войсковых испытаний этих истребителей состоялся 51 воздушный бой, в ходе которых противник потерял 3 FW 190А-8 и 4 Bf 109G (встреч с бомбардировщиками не было). Свои потери составили один Як-9К. Средний расход боеприпасов на один сбитый самолет насчитывал 10 снарядов. Во время боевых действий Як-9К применяли совместно с более легкими Як-1 или Як-3. Возглавляли пары летчики Як-9К, основной целью которых была атака самолетов противника или наземных целей, а задача ведомых – прикрытие ведущих от атак истребителей врага.
Несмотря на положительные результаты испытаний, выпускать Як-9К большой серией не стали из-за выявившейся ненадежности пушки НС-45. Хотя ее дефекты проявлялись редко, мириться с ними было нельзя, поскольку они приводили к серьезным повреждениям, а то и к гибели самолета.
КБ Яковлева создало еще несколько опытных Як-9, на которых отрабатывались новые варианты пушечного вооружения. Среди них: Як-9П (март 1943 г.), на котором вместо пулемета УБ поставили синхронную пушку ШВАК; Як-9ТК (вторая половина 1943 г.), имевший усиленную конструкцию отдельных узлов и унифицированную систему монтажа центральной пушки, которая позволяла в полевых условиях в зависимости от боевых задач ставить пушку ШВАК либо ВЯ-23 калибром 23 мм, либо НС-37, либо НС-45.
После Сталинградской битвы, когда Красная Армия на ряде направлений начала быстро продвигаться вперед, наземные службы стали не успевать готовить аэродромы, и возникала опасность отрыва истребительной авиации от сухопутных войск. Считалось, что эта проблема в период весенней и осенней распутицы будет существенно усугубляться. Решать боевые задачи в этих условиях позволял истребитель с большой дальностью полета, способный действовать со старых баз. В начале 1943 г. КБ Яковлева выпустило на испытания такую машину, получившую обозначение Як-9Д Она отличалась увеличенным запасом топлива, которое теперь размещалось не в двух баках, как на Як-9, а в четырех: двух корневых по 203 л и двух консольных по 117 л. Масса топлива возросла с 320 до 480 кг то есть стала почти такой же, как у опытного Як-7ДИ. Во всем остальном Як-9Д был подобен Як-9.
Производство Як-9Д началось в марте 1943 г, (вместо Як-9) и продолжалось до мая 1944 г Всего выпустили 3068 таких истребителей. Часто при обозначении этого самолета в войсках, да и во многих официальных документах, индекс «Д» опускали, называя его просто Як-9.
Отношение фронтовых летчиков к этой машине оказалось неоднозначным. С одной стороны, самолет приобрел новое качество – повышенную дальность, что позволяло выполнять задачи, недоступные другим истребителям. Но с другой, став основным истребителем ВВС РККА, Як-9Д гораздо чаще привлекался к решению традиционных тактических задач и применялся совместно с самолетами, не отличавшимися большой дальностью полета. Таким образом, в большинстве случаев увеличенный запас топлива Як-9Д оказывался не нужен и, более того, вреден, поскольку становился просто балластом, да к тому же уменьшал живучесть истребителя, при полных баках, а именно так заправляли самолеты на фронте, Як-9Д в воздухе становился гораздо более инертным, чем Як-9, и во многом терял маневренные качества, особенно в вертикальной плоскости. Создатели этого истребителя и не рассчитывали, что их машина будет воевать с полными баками, ведь при полет на большую дальность к моменту предполагаемой встречи с противником изрядная доля топлива должна быть израсходованной, а характеристики самолета стать такими же, как у Як-9. Боевые реалии заставили фронтовиков добиваться жизненно необходимой маневренности своими силами, и вскоре, чтобы не заполнять консольные баки Як-9Д топливом, на них стали устанавливать заглушки. В частности, подобным образом поступали в полку «Нормандия», на вооружении которого летом 1943 г. находились Як-9 и Як-9Д.
Когда в феврале 1943 г. принималось решение о запуске Як-9Д в серию. Государственный Комитет Обороны издал специальное постановление о том, что Як-9 всех модификаций должны с марта 1943 п выпускать в варианте дальнего истребителя, то есть с четырьмя бензобаками. Решение, конечно же, стали воплощать в жизнь, однако оно явно было преждевременным. Например, в отношении Як-9Т оно было выполнено только в 1944 г. Взлетная масса самолета, получившего обозначение Як-9ТД, достигла 3235 кг; и не удивительно, что на фронте на его консольные баки обычно ставили заглушки,