Несмотря на многочисленные попытки в годы войны поднять потолок истребителей и превзойти 700-км рубеж скорости в отечественном самолетостроении провалились. Ставка на поршневые двигатели жидкостного охлаждения М-105ПД, ВК-107А и ВК-108 не увенчалась успехом. В то же время появление за рубежом самолетов с жидкостно-реактивными и газотурбинными двигателями вынуждало конструкторов искать альтернативные решения.
В начале 1944 года ГКО в своем постановлении № 5201 от 18 февраля впервые указал на нетерпимое положение с развитием реактивной техники в стране. При этом ликвидировался Государственный институт реактивной техники (ГИРТ) при СНК СССР и вся тематика сосредотачивалась во вновь организованном НИИ реактивной авиации (НИИ-1), подчиненном заместителю наркома авиапромышленности А. С. Яковлеву. Этим же документом конструкторским бюро С. А. Лавочкина, А. И. Микояна, П. О. Сухого и А. С. Яковлева предписывалось приступить к созданию реактивных истребителей.
Такое решение стало закономерной реакцией на поступавшую из Германии информацию о разработке реактивной техники.
Спустя три месяца, 22 мая 1944 года, ГКО принял постановления № 5945 «О создании авиационных реактивных двигателей» и № 5946 «О создании самолетов с реактивными двигателями». Поскольку в то время в Советском Союзе еще было далеко до постройки газотурбинного двигателя, то эти документы стали отправными точками на пути создания первых отечественных самолетов с комбинированными силовыми установками.
Согласно этим документам ОКБ-115 предписывалось построить по две экспериментальные машины на базе истребителя Як-9 с дополнительными жидкостно-реактивными двигателями РД-1 тягой 300 кгс и трехкамерного РД-3 тягой 900 кгс конструкции В. П. Глушко. Однако проработки варианта Як-9 с РД-1 показали, что из-за большого полетного веса эффект от использования ЖРД будет значительно меньше, чем при установке его на новый более легкий истребитель Як-3.
Расчеты, сделанные в конце лета 1944 года, показали, что полуреактивный Як-3 с этим двигателем вполне может достичь скорости 780 км/ч.
На Як-3 разместили объединенный водомасляный радиатор для поршневого мотора, а вооружение сократили до одной пушки НС-23 (60 патронов) с прицелом ПБП-1А. По сохранившимся фотографиями, орудие на самолет так и не установили, хотя прицел отчетливо виден в кабине пилота. Фонарь кабины пилота для снижения аэродинамического сопротивления понизили на 70 мм.
Посадочные щитки в закрытом положении зафиксировали дополнительными замками во избежание их отсоса. Стальные тяги руля глубины заменены дюралюминиевыми.
Стабилизатор и киль взяли без изменения от Як-3. Для сохранения площади руля поворота увеличили его хорду. Рули высоты несколько срезали для установки РД-1, соответственно облегчив его весовой балансир. Обшивку рулей и элеронов сделали из дюралюминия.
Двигатель РД-1 расположили на стальной трубчатой ферме, закрепленной в хвостовой части фюзеляжа, и закрыли легкосъемным капотом.
Баки с компонентами топлива ЖРД (50 кг керосина и 200 кг концентрированной азотной кислоты), как и емкости для бензина общим объемом 260 литров, расположили в крыле, протянув трубопроводы к реактивному двигателю в специальном желобе, проходившем по левому борту.
Насосный агрегат, расходные бачки для ракетного топлива и клапаны наддува находились в вентилируемом кожухе в передней части фюзеляжа, непосредственно за поршневым мотором. Между лонжеронами крыла под полом кабины пилота расположили фильтры керосина и кислоты, заправочные вентили, сливные блоки и бачок для сбора подтекавшей через уплотнения насосного агрегата кислоты. Вся система трубопроводов была герметизирована.
Два съемных баллона сжатого до 150 атмосфер воздуха расположили на блоках мотора ВК-105ПФ2.
Заправка компонентами топлива ЖРД производилась от специального заправщика снизу вверх, а наддув баков керосина и кислоты производился от нагнетателя мотора. Кислотная проводка окрашивалась в белый цвет, а керосиновая — в голубой.
Самолет был оборудован радиостанцией РСИ-4. В связи с размещением дополнительных приборов, контролировавших работу ЖРД, изменили компоновку приборной доски по сравнению с принятой.
Ведущим конструктором был Б. С. Моторин, ведущим инженером по испытаниям — К. А. Знаменский.
В вариант Як-3РД в конце декабря переделали самолет № 1820 саратовского авиазавода. С 5 по 12 января 1945 года сделали десять огневых пусков РД-1 на земле продолжительностью до 3 минут 15 секунд.