20 июня 1942 г. 523-й иап (после переформирования имевший двухэскадрильный состав) под командованием майора А. Е. Голубова прибыл на Западный фронт и вошёл в состав 234-й иад 1-й воздушной армии. Его разместили на аэродроме Рысня в Смоленской области. Воевать начали с 1 июля. В воздухе шли непрерывные бои с превосходящими силами противника. Каждому лётчику приходилось совершать до шести вылетов в день, а командирам эскадрилий — до десяти. Одновременно пилоты учились бомбить с пикирования. Те, кто уже умел это, применяли столь эффективную тактику на практике. 1 июля 1942 г. лётчики С. И. Харченко (командир группы), А. А. Лабутин, Д. К. Семенчук, Л. И. Коржиков и И. Т. Капилевич первыми в полку выполнили боевое бомбометание с пикирования. Удару подвергся эшелон с военной техникой на железнодорожной станции Зикеево.

В те дни наши войска вели наступательные операции. С 31 июля полк действовал на Ржевском направлении Калининского фронта, базируясь на аэродроме Микулино Городище. Всё светлое время суток лётчики прикрывали их с воздуха, сопровождали штурмовики, летали на разведку, бомбили и обстреливали противника. До 23 августа они 702 раза вылетали на боевые задания и в 103 воздушных боях уничтожили 34 вражеских самолёта, потеряв 23 ЛаГГ-3 и 10 пилотов.

Несмотря на ухудшавшиеся характеристики и постоянные жалобы лётного состава (аббревиатуру «ЛаГГ» лётчики-фронтовики нередко с горькой иронией расшифровывали как «лакированный гарантированный гроб»), ЛаГГ-3 продолжали строить. Количество их на фронте постоянно увеличивалось и на 1 мая 1942 г. достигло 544 машин (примерно 20 полков по штатам того времени).

Надо сказать, что для этого имелись определённые основания. В боях деревянный ЛаГГ-3 нередко демонстрировал редкостную прочность и живучесть. Об этом свидетельствует случай, происшедший с лётчиком Д. В. Симоновым. 12 августа 1942 г. его истребитель был подбит огнём зенитной артиллерии; пострадали масляная, гидравлическая и топливная системы, в фюзеляже зияла огромная пробоина, отсутствовала почти половина левой плоскости. Тем не менее Симонов сел на своём аэродроме, хотя потом самолёту потребовался ремонт в заводских условиях. Лётчик С. Ф. Кырчанов из 252-го иап таранил немецкий истребитель Bf.109. Цельнометаллический «немец» от удара разрушился, а деревянный советский самолёт благополучно приземлился.

ЛаГГ-3 из 66-й серии завода № 31, несущий стандартный камуфляж образца 1943 г., 9-й иап ВВС Черноморского флота.

Целый ряд полков успешно сражался на ЛаГГ-3. Значительных успехов достиг 131-й иап. В июне 1942 г. пара во главе с командиром этого полка майором В. И. Давидковым провела бой с четвёркой Bf.109. В итоге командир один немецкий самолёт сбил, а три других вышли из боя. 27 сентября того же года младший лейтенант К. А. Новичков протаранил вражеский разведчик FW.189, сумев при этом благополучно довести свою повреждённую машину до аэродрома и посадить её.

Отличились истребители ЛаГГ-3 также в боях за Крым и Кавказ. Приведём лишь несколько примеров. В конце июля 1942 г. старший сержант П. К. Бабайлов из 790-го иап отправился на отражение налёта на аэродром в районе Грозного. Это был его первый боевой вылет. В воздушном бою он сбил Bf.109, а затем, израсходовав боеприпасы, винтом отрубил хвостовое оперение ещё одного самолёта противника. Умелый лётчик долетел до аэродрома и приземлился. За ночь техники восстановили повреждённые воздушный винт и капот двигателя. На следующий день Бабайлов на отремонтированной машине опять участвовал в воздушном бою, одержав третью победу. Позднее, уже будучи командиром звена, лейтенант Бабайлов второй раз на ЛаГГ-3 таранил противника. Произошло это 21 ноября 1943 г. над Керченским полуостровом в районе села Султановка. В тот день отважный лётчик ударом винта разрушил вертикальное оперение бомбардировщика Ju.88 и благополучно вернулся на своей повреждённой машине.

В середине 1942 г. количество ЛаГГ-3 и Як-1 на фронте было примерно одинаковым. При этом продолжалось перевооружение полков, летавших ранее на И-16 и МиГ-3.

В октябре 1942 г. в Тбилиси облегчённые ЛаГГ-3 получили лётчики 166-го иап, которым командовал майор С. С. Римша. Этот полк затем участвовал в боях в составе 166-й дивизии. В том же месяце стали осваивать новые истребители в 3-м гв. иап ВВС Балтийского флота. 267-й иап начал переучиваться на ЛаГГ-3 в ноябре 1942 г. 3 марта 1943 г. полк получил приказ о перебазировании на аэродром Краснодар-Центральный, а спустя неделю уже открыл боевой счёт. В тот день 2-я эскадрилья группой из восьми истребителей под командованием капитана Черкашина вылетела на сопровождение дюжины Ил-2 из 503-го шап, штурмовавших восточную окраину станицы Абинская. При подходе наших самолётов к цели две пары Bf.109, прорвавшиеся сквозь верхний ярус прикрытия, попытались атаковать штурмовики. Черкашин, находясь выше врага, развил большую скорость, атаковал и сбил при наборе высоты ведомого второй пары противника. После этого неприятель немедленно вышел из боя.

Но мастерство пилотов не могло в полной мере компенсировать отставание ЛаГГ-3 по лётным данным от истребителей Люфтваффе. У самолёта выявились и другие недостатки. Машина была сложнее в пилотировании, чем Як-1 и Як-7, что сильно сказывалось в частях, где было много молодых, наскоро обученных лётчиков. Погоня за выполнением и перевыполнением плана в условиях, когда на заводах трудилось много малоквалифицированных женщин и подростков, отрицательно влияла на качество техники. В результате фиксировалась высокая аварийность. По данным ВВС, с июня по октябрь 1942 г. в небоевой обстановке произошло 18 катастроф, причём в шести случаях имело место разрушение крыльев, а в восьми — двуплечего рычага управления закрылками; добавим сюда шесть поломок, одну вынужденную посадку и 77 простоев боевых машин из-за неисправности материальной части.

Со второй половины 1942 г. количество этих самолётов в строю начало постепенно сокращаться. На 19 ноября на передовой насчитывалось всего 277 машин, почти вдвое меньше, чем имелось летом. Зато возросло наличие этих машин в ПВО и морской авиации. Например, в ноябре 1943 г. ЛаГГ-3 получил 35-й иап, прикрывавший Черноморское побережье Кавказа.

Из четырёх истребительных полков ВВС Черноморского флота, активно действовавших в 1943 г., два (9-й и 25-й) были вооружены ЛаГГ-3. 25-й иап считался одним из лучших. За вторую половину года его лётчики провели 89 воздушных боёв, сбив 73 самолёта противника (включая 56 истребителей). Сам полк за это время потерял 24 машины.

На 1 июля 1943 г. на фронте насчитывался 251 ЛаГГ-3. Они действовали в основном на юге. 4 декабря 1943 г. шестёрка ЛаГГ-3 из 790-го иап под командованием старшего лейтенанта Бурака, прикрывая Эльтиген, встретила 25 бомбардировщиков Ju.87, сопровождавшихся четвёркой Bf.109. Атаковав «лапотников» сверху в лоб, наши лётчики разрушили неприятельский строй и вынудили бомбардировщики беспорядочно сбросить свой груз. В этом бою старшие лейтенанты Бурак и Сальников одержали по одной победе.

В некоторых полках недостатки ЛаГГ-3 пытались компенсировать усовершенствованием тактики их применения. Так, в 4-й воздушной армии практиковали взаимодействие их с другими типами истребителей. ЛаГГ-3 барражировали на высотах до 3000 м, а выше находились более манёвренные «аэрокобры». Последние связывали боем истребители противника, предоставляя возможность ЛаГГ-3 бороться с вражескими бомбардировщиками.

Звено самолётов К-37 (Гу-37) с пушкой Ш-37 впервые использовалось в боях на московском направлении в октябре 1941 г. в составе 43-й авиадивизии. Тогда мощное вооружение этих машин не удалось использовать в полной мере из-за многочисленных конструктивных и производственных дефектов пушечной установки. Тем не менее, конструктор пушки Шпитальный посчитал, что применение нового оружия прошло успешно, и доложил Сталину об уничтожении пяти средних танков. Однако он промолчал, что в этом же месяце звено фактически перестало существовать — все его истребители были выведены из строя.