Прототип самолета с прототипом двигателя М-107П построили во II квартале 1941 года, но только 8 августа 1941 года летчиком-испытателем самолета приказом НКАП СССР был назначен Г. А. Мищенко. До этого времени шла доработка планера самолета. Тем временем выяснилось, что двигатель М-107П еще слишком сырой. Обеспечить нужный уровень охлаждения масла и воды не представлялось возможным. При работе мотора отмечалось разрушение поршней и ряд других проблем. Становилось ясно, что над двигателем еще работать и работать, поэтому испытания его в воздухе постоянно откладывались.
Постройку ЛаГГа-3 с высотной гермокабиной прервали, так как завод № 482, который выполнял эту задачу, эвакуировали. Поначалу на самолете стоял наддув конструкции Трескина, а в ходе испытаний самолет получил трехступенчатый наддув Э-42А. Но испытания наддува проводились только на двух первых передачах. Самолет облетали в I квартале 1942 года.
С началом войны планы всех заводов резко увеличили. Основной заказ по-прежнему приходился на горьковский завод № 21. С сентября 1941 года началась эвакуация заводов из Ленинграда и Таганрога. Кроме того, завод № 23 переключился на выпуск другой продукции, прекратив с сентября выпуск ЛаГГов. Завод № 31 эвакуировали в Тбилиси, но заводу потребовалось определенное время для того, чтобы наладить производство. В Новосибирске параллельно с ЛаГГами-3 завод выпускал самолеты Як-7. Но все упомянутые выше предприятия не могли сравниться в производительности с заводом № 21. Какое-то время завод № 21 был наиболее крупным поставщиком истребителей в Советском Союзе. До конца 1941 года завод дал армии 1445 истребителей ЛаГГ-3, в том числе 20 самолетов, вооруженных 37-мм пушкой АП-37. Еще пять самолетов вооружили 23-мм пушками МП-6 и ВЯ-23, а также прототипной пушкой конструкции Салищева-Галкина. В единственном экземпляре был выпущен двухместный ЛаГГ-3 (№ 312129).
Неудовлетворительные летные качества серийных ЛаГГов-3 привели к тому, что их выпуск вскоре ограничили. В январе 1942 года ГКО СССР издал указ о прекращении выпуска ЛаГГов-3 в Новосибирске. С декабря 1941 года рассматривалась возможность прекращения выпуска самолета в Горьком. В апреле 1942 года в Москву вернулся эвакуированный было завод № 301, который приступил к ремонту ЛаГГов-3, а также к выпуску новых машин.
Лавочкин боролся за то, чтобы сохранить ЛаГГ-3 на конвейере. Главный выход в создавшейся ситуации он видел в том, чтобы увеличить мощность двигательной установки. Рассматривались две возможности: увеличить мощность штатного двигателя М-105, а также установить на самолет новый, более мощный двигатель. Слишком малая мощность двигателя М-105 не удовлетворяла не только Лавочкина, но и его конкурента Яковлева. В начале 1942 года по инициативе НИИ ВВС и ОКБ А. С. Яковлева мощность двигателя увеличили за счет установки нагнетателя. В результате мощность двигателя у земли возросла с 1020 л.с. до 1210 л.с., а благодаря снижению рабочей высоты номинальная мощность увеличилась с 1100 л.с. (2000 м) до 1260 л.с. (700 м). Рост мощности был очень заметен, но он потребовал усилить некоторые детали двигателя, в первую очередь поршневую группу. Самолет ЛаГГ-3 с двигателем М-105ПФ развивал максимальную скорость на 25–28 км/ч больше, чем с двигателем М-105П. Другой возможностью увеличить энерговооруженность самолета была установка на него звездообразного двигателя воздушного охлаждения М-82 конструкции Швецова. Но установка этого двигателя, выполненного по схеме «двойная звезда», на ЛаГГ-3 представляла собой серьезную проблему. Но именно этот вариант увенчался полным успехом и привел к появлению удачного истребителя Ла-5.
Но нарком авиапрома не хотел ждать. 8 апреля 1942 года он подписал указ о переходе завода № 21 на выпуск истребителей Як-7. Конструкторское бюро Лавочкина планировали отправить в Тбилиси, где должен был продолжаться выпуск ЛаГГов-3. Но уже в марте 1942 года в воздух поднялся прототип будущего Ла-5, в то время носивший обозначение ЛаГГ-3 М-82. После завершения государственных испытаний появилось решение о начале серийного выпуска нового истребителя. Указ о переходе завода № 21 на выпуск Яков-7 отменили. Вместо этого, на заводе развернули выпуск Ла-5. Для первых Ла-5 использовали готовые фюзеляжи ЛаГГ-3, подвергнув их необходимой переделке. Указом ГКО от 19 мая 1942 года заводы № 21 и 31 обязывались не позднее 25 мая приступить к выпуску ЛаГГов-3 только с двигателем М-105ПФ. Указом ГКО от 7 июня 1942 года завод № 21 должен был ставить на ЛаГГи-3 автоматические закрылки и убирающееся хвостовое колесо, а также элероны и рули высоты с улучшенной балансировкой. Выпуск модифицированных ЛаГГов следовало начать с 1 июля 1942 года, но завод, занятый переходом к выпуску Ла-5, этих сроков не выдержал. До 12 июля 1942 года армия получила только семь ЛаГГов-3 с закрылками. До конца месяца было собрано еще 30 ЛаГГов без закрылков. Все самолеты двух последних производственных серий, собранные в Горьком летом 1942 года, были оснащены двигателями М-105ПФ. Общий выхлопной коллектор у них заменялся тремя сдвоенными патрубками. Снова на самолет поставили дополнительные бензобаки. Вооружение оставалось «облегченным»: пушка ШВАК и пулемет БС. Указом НКАП от 13 июля директор завода № 293 и главный конструктор М. И. Гудков должны были установить на ЛаГГ-3 новую пушку Березина калибра 20 мм, но в конце концов от этих планов отказались. Завод № 21 полностью перешел на выпуск истребителей Ла-5, пустив на эти цели весь запас готовых планеров ЛаГГ-3. Этого запаса хватило почти на полгода.
Пушки большого калибра
Идея установить на ЛаГГ-3 пушку большого калибра и превратить самолет в истребитель танков появилась еще в 1940 году. Работа по установке на самолет пушки Таубина или Шпитального шла с весны 1941 года. Авиационная пушка Таубина калибра 37 мм не помещалась под капотом. Первые 9 пушек Ш-37 (АП-37) конструкции Шпитального имели меньшие размеры, но ее не удавалось жестко зафиксировать. После всего нескольких выстрелов крепления пушки ослабевали. Боекомплект пушки составлял всего 21 выстрел вместо планировавшихся 50. Даже со снятым пулеметом БС боекомплект пушки не превышал 30 выстрелов. Первым самолетом, вооруженным 37-мм пушкой, стал третий серийный ЛаГГ-3 выпуска завода № 23. Чтобы разместить пушку, с двигателя сняли генератор, заменив его дополнительными аккумуляторами, расположенными в фюзеляже. Кроме того, с самолета сняли оба пулемета ШКАС, а также изменили схему крепления пулемета БС. Взлетная масса самолета составила 3318 кг. Чтобы как можно скорее дать самолет армии, полного цикла испытаний не проводили, а крепление пушки окончательно доработали лишь весной 1941 года в ходе государственных испытаний в НИИ ВВС. По результатам проб летные характеристики самолета не ухудшились. Стрельба одиночными выстрелами и очередями длинной до 20 выстрелов также на параметрах полета не сказывалась. Испытания завершились за 16 дней до начала войны. В отчете говорилось: «После внесения ряда изменений в конструкцию 37-мм пушка конструкции Б. Г. Шпитального установлена в двигателе М-105П самолета ЛаГГ-3.