Доставившим много хлопот стало требование военных увеличить дальность полета до 1000 км вместо 600 км, предусматривавшийся техническим заданием на проектирование самолета. Это требование удалось выполнить, разместив бензобаки в консолях крыла.
Новый вариант самолета получил обозначение ЛаГГ-3. Решение о запуске его в серийное производство было принято 29 июля 1940 г. В конструкции ЛаГГ-3 в максимальной степени использовалась древесина. Фюзеляж был деревянным — полумонокок, выклеенный из березового шпона. Центроплан и киль выполнены как одно целое с фюзеляжем. Кабина летчика закрывалась сдвигаемой назад крышкой фонаря. Сиденье летчика имело 10-мм бронеспинку. Крыло было снабжено двумя деревянными коробчатыми лонжеронами. Элероны имели дюралюминиевый каркас, обшитый полотном. Стойки шасси убирались в полете в крыло с использованием гидравлической системы.
Самолет имел солидное вооружение: один 12,7-мм пулемет БК, два 12,7-мм пулемета БС и два 7,62-мм пулемета ШКАС.
Решение Правительства СССР о запуске ЛаГГ-3 в массовое производство было принято 10 октября 1940 г. Задание начать выпуск этого самолета получили:
.. завод № 21 в Горьком (головное предприятие);
.. завод № 31 в Таганроге;
.. завод № 23 в Ленинграде;
.. завод № 153 в Новосибирске.
Поскольку заводу № 21 было поручено выполнять функции головного предприятия, в Горький переехала значительная часть ОКБ-301 во главе с С. А. Лавочкиным. Первый ЛаГГ-3, построенный на заводе № 21, был поднят в воздух с заводского аэродрома 23 января 1941 г.
В соответствии с заданием Наркомата авиационной промышленности в 1941 г. нужно было изготовить 2960 истребителей ЛаГГ-3. К 22 июня 1941 г. построили 322 машины, что было несколько меньше плана (на 1 июля предусматривалось построить 805 машин), но все возможности выполнить годовой план у заводов были.
Прямо с заводского аэродрома самолеты направлялись в истребительные авиационные полки ВВС РККА. Одним из первых их получил 164-й истребительный авиационный полк, базировавшийся на Кавказе, а также 160, 44, 17, 170 и 69-й полки действующей армии.
В боях проявилась поразительная живучесть ЛаГГ-3. Показателен пример, который привел в своих воспоминаниях о С. А. Лавочкине летчик-испытатель Галлай. Речь идет о бое, который летчик А. Н. Гринчик провел в феврале 1942 г. Отбиваясь от численно превосходящего противника, он сбил «Мессершмитт-109» «но преимущество врага оставалось большим. Попадания в ЛаГГ следовали одно за другим. Наконец снаряд разорвался прямо в моторе. Продолжать бой стало невозможно...
Фашистские летчики расстреливали планирующую беззащитную машину, как учебную мишень. С каждой атакой все более и более мертвым становится самолет Гринчика. Крылья и фюзеляж пробиты в нескольких местах... Из перебитых трубопроводов бьют бензин, вода, масло. Фонарь кабины сорван. Вместо приборной доски какая-то каша... А ЛаГГ-3 летит!
Искореженная машина демонстрировала неслыханную живучесть. Обозленные гитлеровские летчики принялись расстреливать ее в упор. Один из них, не рассчитав атаки, на миг оказался впереди ЛаГГа. Довернув едва слушавшийся рулей самолет, Гринчик длинной очередью выпустил весь боекомплект. «Мессершмитт» взорвался и рассыпался на куски.
Гринчик благополучно приземлился».
В ходе боевых действий выявились и недостатки ЛаГГ-3. Прежде всего было отмечено ухудшение скоростных характеристик по сравнению с теми самолетами, которые проходили заводские и государственные испытания. Причин этому было несколько.
Серийные машины были тяжелее прототипа И-301 из-за дополнительных топливных баков. Вместо полированной поверхности серийные машины имели шероховатое камуфлирующее покрытие. Из- за быстро желтеющего целлулоида летчики летали с открытым фонарем кабины.
Если другие недостатки можно было исправить в ходе серийного производства, то решение проблемы ухудшения скоростных характеристик машин нашли в виде замены двигателя М-105П более мощным двигателем воздушного охлаждения М-82 (более позднее обозначение — АШ-82). Этот двигатель производился в расчете на установку на бомбардировщике Су-2, но после прекращения производства последнего оказался невостребован. Идея использования значительных складских запасов этих двигателей для производства модернизированного ЛаГГ-3 нашла отклик как у руководителей авиационной промышленности, так и у конструкторов ОКБ С.А. Лавочкина. Основная проблема заключалась в том, что «большой лоб» звездообразного М-82 не вписывался в фюзеляж ЛаГГ-3, спроектированный под «узкий» рядный М-105П. Тем не менее конструкторам удалось найти способ установки М-82 на самолет без значительных изменений конструкции фюзеляжа.
Опытный образец ЛаГГ-3 с двигателем М-82 совершил свой первый полет в марте 1942 г., а 13 апреля того же года на имя И. В. Сталина из Горького была отправлена телеграмма за подписью заместителя наркома А. С. Яковлева, заместителя Главкома ВВС А. К. Репина, директора завода № 21 Гостинце- ва и главного конструктора С. А. Лавочкина, в которой сообщалось, что на заводских испытаниях самолет ЛаГГ-3 с двигателем М-82 развил без применения форсажа у земли максимальную скорость 531 км/час, а на высоте 3025 м — 586 км/час. Время подъема на высоту 5000 м составило 6,1 мин.
В телеграмме также отмечалось, что завод № 21 примерно через месяц может начать выпуск ЛаГГ-3 с двигателем М-82, а через два месяца он уложится в заданный график.
В конце апреля — начале мая 1942 г. были проведены совместные государственные испытания ЛаГГ-3 с двигателем М-82, давшие в целом положительный результат, а 20 мая появился приказ Наркомата авиационной промышленности «О выпуске самолетов ЛаГГ-3 на заводе №21», требовавший немедленно приступить к выпуску ЛаГГ-3 с двигателем М-82 сверх программы по самолетам ЛаГГ-3 с двигателем М-105П.
Новый самолет в течение некоторого времени имел обозначение ЛаГГ-3 М-82, затем использовалось обозначение ЛаГГ-5 (ЛаГ-5), и, наконец, приказом Наркомата авиационной промышленности от 8 сентября ему присвоили обозначение Ла-5.