Завод № 21, имевший статус ведущего предприятия, получил задание к 15 июня 1941 года доработать конструкцию шасси, органы управления и вооружение. С этого момента выпуск ЛаГГов-3 сократили. Завод № 21 получил разрешение выпускать в сутки два самолета, а с 25 июня 1941 года следовало наладить выпуск уже доработанных машин. Кроме того, до 15 июля 1941 года завод в Таганроге должен был передавать военным по одному самолету в сутки, а в Ленинграде — один самолет каждые два дня.
Изменения в конструкцию самолета вносились постепенно. Начиная с 76-го самолета 3-й производственной серии крупнокалиберный пулемет БС, стоявший в развале блока цилиндров и стрелявший через ступицу винта заменили пушкой ШВАК. При этом с самолета сняли правый пулемет БС под капотом. Хотя было решено уменьшить число бензобаков, Лавочкин поначалу решил только ограничить их объем. В самолетах 7-й производственной серии емкость баков уменьшили до 340 л.
Один из самолетов 7-й серии (№ 3121715) в конце августа — начале сентября 1941 года прошел контрольные испытания в НИИ ВВС. На самолете стояла пушка ШВАК с боекомплектом 150 выстрелов, синхронизированный пулемет БС с боекомплектом 200 выстрелов, а также пара ШКАСов с общим боекомплектом 1600 выстрелов. Спину летчика защищала бронеспинка толщиной 8,6 мм, а самогерметизирующиеся баки заполнялись выхлопными газами. На самолет поставили усовершенствованный двигатель М-105ПА, оснащенный беспоплавковым карбюратором, который обеспечивал стабильную работу двигателя при любых перегрузках и любой ориентации в пространстве. Мощность двигателя оставалась прежней.
Самолет оборудовали радиостанцией РСИ-4 и колесами большего диаметра (650x200 мм), что улучшило рулежку и пробег/разбег на грунтовых аэродромах. При массе 3280 кг самолет развивал только 549 км/ч, что объяснялось ухудшившейся аэродинамикой. Чтобы улучшить температурный режим работы двигателя, конструкторы увеличили воздухозаборник радиатора. Колеса большего размера полностью не убирались в колесные ниши, нарушая аэродинамику крыла. Продолжало торчать заклиненное в выпущенном положении хвостовое колесо. Наконец, в полете часто отстегивались фиксаторы капота.
Чтобы уменьшить массу самолета и исправить его летные характеристики, начиная с 11-й серии, отказались от узлов подвесных топливных баков. Такие узлы сохранились только у немногочисленных машин, предназначавшихся для морской авиации, выпускавшихся в Горьком в сентябре 1941 года. Где-то на седьмом десятке 10-й производственной серии на самолеты перестали ставить пулеметы ШКАС. В результате ЛаГГ-3 перестал превосходить по огневой мощи Як-1, будучи при этом все равно тяжелее яковлевского истребителя. Позднее убрали и пулеметные порты.
С 12-й серии (97 самолетов) предусматривалась подвеска шести неуправляемых реактивных снарядов РС-82 калибра 82 мм. Высказывалось опасение, что деревянная обшивка крыла обгорит под действием раскаленных газов. Поэтому поначалу на нижнюю поверхность крыла набивали тонкие металлические листы, затем прошли эксперименты с несгораемой тканью. В сентябре 1941 года в НИИ ВВС закончились испытания ЛаГГа-3 4-й производственной серии, вооруженного восемью ракетами РС-82, подвешенными под крыльями. По сравнению с самолетом № 3121715, «ракетный» ЛаГГ оказался на 220 кг тяжелее. Из-за возросших массы и аэродинамического сопротивления максимальная скорость упала на 30–36 км/ч, а потолок понизился на 300 м. Скороподъемность не изменилась. В ходе экспериментов было установлено, что огнеупорная ткань защищает обшивку самолета не хуже дюралевого листа толщиной 0,5 мм. Это позволило отказаться от накладки металлического листа, который заслонял посадочный прожектор. На серийные ЛаГГи предполагалось ставить по шесть, а не по восемь ракет. Следует заметить, что в истребительных частях неуправляемые ракетные снаряды использовались нечасто.
На тестируемом самолете отрабатывалась еще одна новинка. В фюзеляже по предложению техника В. И. Зуева из НИИ ВВС вырезали люк. Здесь был оборудован грузовой отсек, в котором можно было при необходимости перевозить груз массой до 80 кг. Размеры люка позволяли пролезть в него человеку. Это давало возможность летчику, например, подобрать товарища, сбитого над территорией врага.
В сентябре 1941 года в НИИ ВВС испытывался еще один ЛаГГ-3. Испытания показали, что максимальная скорость самолета снизилась на 51 км/ч по сравнению с прототипом. Были проанализированы причины этого неприятного явления. Самолет № 31211062 подвергли специальным испытаниям, имевшим целью исправить аэродинамику планера и работу двигателя. При взлетной массе 3117 кг с убранным хвостовым колесом и полностью закрытом воздухозаборнике на высоте 4960 м самолет развил максимальную скорость 580 км/ч, а высоту 5000 м набрал за 6,7 мин. Для серийных ЛаГГов-3 выпуска 1941 года это был наилучший результат. Большинство изменений, внесенных в конструкцию опытного самолета № 31211062, перенесли и на серийные машины.
Но, несмотря на все усилия конструкторов, ЛаГГ-3 по-прежнему уступал не только немецким истребителям, но и советскому истребителю Як-1. Качество сборки постоянно падало. Вместо квалифицированных рабочих, мобилизованных на фронт, в цехах авиазаводов работали женщины и подростки. Не хватало материалов и полуфабрикатов, оборудования, вооружения. Качество деталей, поставляемых смежниками, также упало. Все это не могло не сказаться на летных характеристиках самолета самым негативным образом. Контрольные испытания, проведенные весной 1942 года в НИИ ВВС над самолетом № 3121232, показали, что, несмотря на то что взлетная масса машины, вооруженной только пушкой ШВАК и пулеметом БС, уменьшилась, максимальная скорость упала до 539 км/ч.
Планер, спроектированный под мощный двигатель М-106П, был тяжеловат для М-105П. Нехватку мощности пилоты отметили уже в ходе первых пробных полетов. Поэтому конструкторский коллектив проделал огромную работу для того, чтобы как-то решить эту проблему: неподходящие друг к другу планер и мотор.
С одной стороны, конструкторы постоянно снижали массу планера, с другой — искали более мощный двигатель. В планах завода № 21 на IV квартал 1941 года упоминаются два истребителя ЛаГГ-3 с климовским двигателем М-107П, самолеты с наддувом Трескина, с высотной гермокабиной, а также самолет ЛаГГ-3/М-82, оснащенный звездообразным двигателем воздушного охлаждения Швецова М-82. Последний проект вел М. И. Гудков.
Двигатель М-105П, который в первоначальном варианте развивал мощность 1400 л.с., мог обеспечить значительный рост скорости. Рассматривался также вариант с установкой на самолет двигателя М-105Ф, представлявшего собой модификацию М-105П, отличавшуюся повышенной степенью сжатия и увеличенными оборотами. Конструктор двигателя В. Я. Климов использовал четырехклапанную головку цилиндра и оригинальную систему подачи топливовоздушной смеси. Один из клапанов обеспечивал продув цилиндра чистым воздухом, а из карбюратора подавалась обогащенная ТВС. Наиболее нагруженные элементы двигателя были усилены. Самолет с двигателем М-107П должен был иметь посадочную скорость 140 км/ч, максимальную скорость на высоте 6000 м 660 км/ч, время набора высоты 5000 м 5,5 мин, практический потолок 11 000 м, дальность полета 1000 км. Вооружение самолета состояло из пушки калибра 23 мм, двух пулеметов БС и двух пулеметов ШКАС.