В апреле 1945 г. на испытания был выпущен цельнометаллический Як-3 с ВК-107А. Прочность этого варианта была удовлетворительной, а системы охлаждения имели улучшенные характеристики. Во второй половине 1945 г. на заводе N«31 в Тбилиси началось его серийное производство. Небольшое число Як-3 с ВК-107А изготовил и саратовский завод № 292, но в большую серию этот самолет так и не попал. Военные отдали предпочтение истребителю Як-9У как более доведенному, надежному и лучше подходящему под мотор ВК-107А. Преимущество Як-3 перед Як-9У или Як-9П заключалось в большей скорости и лучшей скороподъемности. Но превосходство это было незначительным. Так, Як-3 был всего на 10–20 км/ч быстрее Як-9У. В общей сложности, промышленность изготовила несколько десятков истребителей Як-3 с ВК-107А.
В 1944 г. КБ В.Я. Климова выпустило новый мотор жидкостного охлаждения ВК-108. Он был разработан на базе ВК-107А и обладал большей мощностью (на взлете 1800 л. с. вместо 1650 у ВК-107А). В расчете на ВК-108 в конструкторском бюро А.С.Яковлева спроектировали новый вариант истребителя Як-3. Эта работа носила экспериментальный характер, поскольку априори было понятно, что с этим двигателем Як-3 без коренной переделки конструкции не сможет стать полноценной боевой машиной. Преследовалась цель опробовать ВК-108 на самолете и оценить пригодность мотора для последующего использования на истребителях.
Внешне Як-3 с ВК-108 был подобен варианту с ВК-107А, только вооружение его состояло лишь из одной центральной пушки НС-23 калибра 23 мм, выхлопной коллектор на каждом блоке цилиндров V-образного мотора заменили раздельным выхлопом — от каждого цилиндра отходило по два выхлопных патрубка, которые по отдельности выводились за боковую и боковую-верхнюю часть капота, чем эта машина зрительно отличалась от других Як-3. Был также установлен другой винт, существенно увеличены водо- и маслорадиаторы, расширены каналы для подвода охлаждающего воздуха, а всасывающий патрубок устроен внизу фюзеляжа.
Этот самолет испытывался без вооружения, а всасывающий патрубок был перемещен под капот мотора. Самолет отличался высокими летными данными, в частности, его скорость составляла 717 км/час против 651 км/час у опытного Як-1М «дублер» с М-105ПФ2.
Внизу: второй опытный экземпляр Як-3 с ВК-107А, построенный в начале 1944 г., на аэродроме НИИ ВВС весной того же года. На этой машине были устранены многие недостатки, присущие первому экземпляру. Внешне самолет очень напоминал серийный Як-3 с ВК-105ПФ2, но имел только синхронное пушечное вооружение, сдвинутую назад кабину летчика, другой винт и дополнительный патрубок в верхней части капота. По комплексу летных данных военные сочли этот самолет лучшим из известных истребителей. По скорости (720 км/час) и вертикальной маневренности ему тогда не было равных. Но вот такие недостатки, как ненадежность мотора, систем охлаждения и недостаточная прочность конструкции оказались серьезным препятствием для внедрения самолета в серийное производство. Военные вынуждены были отказаться от рекомендации принять истребитель на вооружение.
Летные испытания Як-3 с ВК-108 начались в декабре 1944 г., а 21 декабря этот самолет на высоте 6290 м показал скорость 745 км/ч. Этот показатель только на 10 км/ч уступал высшему мировому достижению, установленному в 1939 г. в Германии на специальном рекордном самолете Me 209.
Несмотря на столь обнадеживающий результат, испытателям стало ясно — новый мотор столь ненадежен, что не может пока использоваться на самолетах. Всего Як-3 с ВК-108 совершил только пять испытательных полетов, а рекордный для советской авиации полет оказался предпоследним.