В передней части фюзеляжа толщину обшивки уменьшили с 9,5 до 7 мм, облегчили каркас капота, два маслобака заменили на один. С самолета сняли узлы для крепления подвесных топливных баков, у внутренних топливных баков уменьшили толщину стенок. Использование новых тросиков управления газом, а также ряд других изменений в конструкции позволили в общей сложности облегчить самолет на 252–283 кг. С другой стороны переделка воздухозаборников водяного и масляного радиаторов, герметизация противопожарной переборки, установка обтекателей на выхлопные патрубки и доработка форсированного двигателя М-105ПФ (на двигатель поставили усиленный коленвал) добавили к массе самолета 55 кг. В результате массу не удалось понизить больше чем до 2962 кг. Серийные самолеты часто весили на 9 % больше опытных машин. Эту проблему часто обсуждали в НКАП. В 1943 году появился указ «Об ужесточении дисциплины крупносерийного выпуска самолетов», который касался всех авиационных предприятий. В этот же период трудно было оснащать все самолеты радиостанциями. Лишь с марта 1943 года на все без исключения ЛаГГи-3 начали ставить приемники, а на каждом пятом самолете — приемо-передатчики РСИ-4. Часть самолетов выпускалась в варианте ближнего разведчика и оборудовалась фотокамерой АФА-1, установленной в хвостовой части фюзеляжа. В середине 1943 года вооружение самолета усилили вторым пулеметом БС. На последних сериях винт ВИШ-61П заменили винтом ВИШ-105СВ, отличавшемся более плоской и широкой ступицей.

На заводе № 31 работали над совершенствованием двигательного агрегата с целью улучшить скорость самолета. Предпринимались попытки поставить на истребитель двигатели М-106 и М-107, но, как уже говорилось выше, они закончились безрезультатно. Горбунов предпринял еще одну попытку улучшить летные качества ЛаГГа-3, установив на самолет двигатель М-105ПТ. Истребитель, получивший обозначение «объект 105» в октябре 1943 года прошел государственные испытания. Прежде всего в глаза бросалась каплевидная форма фонаря кабины. Вооружение самолета состояло из пушки ШВАК и пулемета БС с боекомплектом 160 и 200 выстрелов соответственно. Взлетная масса самолета составила 2818 кг, максимальная скорость 612 км/ч.

В феврале 1944 года появился самолет «105-2» с двигателем М-105ПФ-2 стартовой мощностью 1290 л.с. и рабочей мощностью 1310 л.с. на высоте 2000 м. Емкость топливных баков сократили с 405 до 377 л, пушку ШВАК заменили пушкой ВЯ-23 с боекомплектом 85 выстрелов. Пулемет БС имел боекомплект 185 выстрелов. Истребитель проходил государственные испытания с 10 мая по 12 июня 1944 года. Закончились они отрицательно. У самолета отметили недоработки в конструкции винтомоторной группы, слабое вооружение и низкие летные параметры. Самолет «105-2» значительно уступал по возможностям немецким истребителям Bf-109G-6 и FW-190D-9. В результате в НИИ ВВС признали бесперспективным дальнейшее совершенствование ЛаГГа-3 и подняли вопрос о прекращении его серийного выпуска. Дальнейшие планы тбилисских конструкторов так и не были реализованы. В частности, они предполагали оснастить самолет эластичными самогерметизирующимися баками. В отличие от жестких баков с резиновой обшивкой, у мягких баков сами стенки были сделаны из самозатягивающейся резины.

Особое место в работе КБ С. А. Лавочкина занимают эксперименты со смешанной двигательной установкой. Одним из способов увеличить максимальную скорость и потолок самолета было установить на него дополнительные ракетные двигатели на жидком топливе. В Советском Союзе в годы войны над ракетными ускорителями самолетов работала группа И. А. Меркулова и М. М. Бондарюка. Двигатель ДМ-4 конструкции Меркулова ставили на истребители Як-7Б, а двигатель ВРД-1 Бондарюк испытывал на серийном ЛаГГе-3 с двигателем М-105ПФ. Ускоритель ВРД-1 имел длину 2,15 м, диаметр спереди 0,14 м, массу 16 кг.

Испытания ускорителя ВРД-1 в августе 1942 года проводил летчик-испытатель Г. А. Мищенко. Опыты показали, что ускоритель позволяет прибавить к максимальной скорости самолета 15 км/ч. В то же время двигатель ухудшал аэродинамические качества самолёта, снижая скорость самолета на 35–40 км/ч. Впрочем, подвеска ускорителя делалась довольно грубо, теоретически существовала возможность облагородить аэродинамику самолета. Но этого делать не стали, так как ускоритель не мог обеспечить стабильное горение топлива, также пуск ускорителя был очень затруднен на значительных высотах.

В соответствии с планами выпуска, до 21 мая 1941 года заводы №№ 21, 23, 31, 153 и 165 должны были передать ВВС РККА 593 самолета ЛаГГ-3. Планировалось оснастить ими 14 истребительных полков. Фактически было получено только 150 самолетов, в том числе несколько машин остались в распоряжении НИИ ВВС, пять находились на полигоне, а 108 оставались на заводах для доработки. Только 39 машин поступило в боевые части, 37 истребителей было собрано в составе 24-го ИАП, дислоцированного во Люберцах. Этот полк входил в состав истребительного корпуса ИАК ПВО. Пилоты приступили к освоению новых машин в мае 1941 года. Именно пилоты 24-го ИАП участвовали в пролете над Красной площадью 1 мая 1941 года.

К началу войны часть получила полный штат самолетов, но боеготовности еще не достигла. Два самолета ЛаГГ-3 передали в 19-й ИАП на аэродром Горелово. До 7 мая самолет ЛаГГ-3 освоили 66 пилотов, совершивших 335 полетов общей продолжительностью 80 ч 20 мин. Генерал П. Ф. Жигарев, занимавший в это время должность начальника главного управления ВВС РККА, 24 мая 1941 года доложил Сталину о том, что пилоты хорошо освоили новые машины. По мнению пилотов, истребитель ЛаГГ-3 был проще в управлении, нежели МиГ-3, но немного труднее, чем Як-1. Самолетом мог без проблем управлять пилот средней квалификации. Это позволяло быстро переучивать пилотов. В 24-м полку в течение одного дня к самостоятельным полетам на ЛаГГ-3 допустили сразу 22 пилотов. К началу войны в боевых частях находилось более ста ЛаГГов-3. Большинство из них — 75 — входило в систему ПВО Москвы. Эти самолеты находились далеко от границы и не участвовали в первых неделях войны. По этой же причине части московской ПВО не понесли потерь от ударов Люфтваффе по аэродромам. В Ленинградском ВО 22 июня 1941 года было 15 самолетов ЛаГГ-3, которые осваивали пилоты 44-го ИАП. По-видимому, это были машины, выпущенные ленинградским заводом № 23.