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.

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.