Агрегаты самолета построил в январе-марте 1945 г. завод № 153 в Новосибирске, где массово строился Як-9 и был филиал ОКБ Яковлева. В апреле сборку завершил завод № 115, и 12 мая Федрови начал летные испытания истребителя, названного Як-3У. Ведущим инженером был назначен A.M. Дружинин. Летные данные были хороши, особенно скороподъемность и набор высоты за боевой разворот, которые были на уровне лучшего варианта Як-3 ВК-107А. Но противокапотажный угол, слабое место всех Як-3. был еще меньше, чем у серийного самолета, и посадка даже без резкого торможения требовала повышенного внимания, усложнился и взлет. После 19 полетов общей продолжительностью 8 ч 40 мин самолет 9 июня вернули на доработку. На нем увеличили вынос шасси, уплотнили стыки капота, повысили эффективность триммера руля высоты, а также поставили новое цельнометаллическое крыло, полностью изжив из конструкции дерево и полотно. Но война кончилась, а для новых условий лучше подходил цельнометаллический истребитель Ла-9 с мощным вооружением, современным оборудованием и перспективой увеличения дальности полета. Преимущество Як-3У в летных данных сочли недостаточно существенным основанием для запуска в серию еще одного истребителя с мотором АШ-82ФН. Но опыт его создания был использован в ходе проектирования самолета первоначального обучения Як-11 с легким звездообразным мотором AШ-21, который стал «летающей партой» для многих курсантов послевоенной поры в СССР и за рубежом
К середине Второй мировой войны дальнейшее наращивание скорости, скороподъемности, маневренности, дальности, мощи вооружения и установка нового целевого оборудования на поршневые истребители еще были возможны, но какова будет плата за все это, конструкторы не знали, потому смело брались за использование все более мощных моторов.
В 1944 г КБ-26 В.Я. Климова завершило испытания нового двигателя ВК-108. Он сохранил блоки цилиндров ВК-107А, но был еще более теплонапряженным (система охлаждения рассчитывалась на температуру воды +110° С). Новый 2-скоростной нагнетатель Поликовского с регулируемыми лопатками обеспечивал стабильное давление наддува 1175 мм рт.ст. до высоты 4500 м, тогда как у ВК-107А этот параметр был только 1060 мм рт.ст. Это позволило довести взлетную мощность до 1850 л.с., боевая при таком же наддуве у земли составляла 1600 л.с., на I границе высотности 1500 м – 1650 л.с., а на II границе 4500 м – 1500 л.с.
Такой мотор с новым винтом ВИШ-107ЛТ-5 поставили на усиленный цельнометаллический планер Як-3. построенный опытным заводом № 115 в сентябре-октябре 1944 г. В связи с установкой нового мощного мотора с четырьмя рядами выхлопных патрубков, пришлось переделать капот и мотораму. Запас топлива был уменьшен на 40 кг, но масла пришлось брать больше. Были увеличены радиаторы. Все вооружение составляла мотор-пушка НС-23 с 60-ю снарядами. Заднее бронестекло сменила высокая бронеспинка с заголовником по типу старого Як-1: она компенсировала сдвиг центровки и служила противокапотажной рамой.
Заводские испытания начались 7 октября 1944 г., но из-за дефектов мотора первый полет летчику В.Л. Расторгуеву удалось выполнить только 18 декабря. ВК-108 механики ЛИС ОКБ Яковлева, специалисты завода № 26 и ЛИИ «вылизали» как только могли, и он работал пока без нареканий В четвертом полете Расторгуев на высоте 6000 м разогнался до 745 км/ч, установив национальный рекорд скорости, но послеполетный осмотр показал, что двигатель на грани выхода из строя, и его сняли. Самолет долго стоял в ожидании нового мотора, но облет 8 марта показал, что поступивший двигатель ненадежен. В пяти полетах самолет налетал всего 1 час 47 мин.