В апреле завод отправил на фронт первые Як-3. В мае их выпуск составил 21,6 % от общего выпуска машин заводом, в июне — 52,7 %, в июле — 98,1 %. 5 декабря завод выполнил план 1944 года на 108,5 %, окончательно перейдя на изготовление Як-3.
Первые машины, укомплектованные одной пушкой МП-20 и пулеметом БС, стали покидать сборочный цех в марте 1944 года. В таком виде было выпущено 12 серий самолетов. Затем истребители начали комплектоваться орудием МП-20 и двумя БСами.
Благодаря хорошему контролю вес самолета изменялся незначительно. Так, по имеющейся статистике, разница в весе пустых самолетов, выпущенных с ноября 1944-го по май 1945 года изменялась в пределах 5–6 кг.
В июле 1944 года на самолете дал себя знать серьезный конструктивный дефект — срыв обшивки с верхней поверхности крыла, свойственный смешенной конструкции несущей поверхности. В ОКБ-115 предприняли соответствующие меры и выпустили бюллетень № 22 с рекомендациями по его усилению. Одновременно на подмосковном заводе № 464 усиленное крыло установили на самолет № 9135 и отправили на статические испытания. Но, как показал опыт, рекомендовавшиеся доработки, связанные с увеличением площади проклея обшивки за счет накладок на деревянных нервюрах, помогли мало. Согласно книге А. Т. Степанца, было зарегистрировано 114 случаев отставания фанерной обшивки от каркаса крыла.
В соответствии с постановлением ГКО и приказом наркома авиационной промышленности от 30 декабря 1944-го завод № 292 должен был перейти на выпуск Як-3 с тремя пушками Б-20 в феврале следующего года. Первый «як» в новой комплектации (серийный № 1630) завод построил в срок и предъявил в НИИ ВВС на государственные испытания, завершившиеся в апреле 1945 года.
Серийные пушки Б-20 в синхронном варианте, выпущенные в 1944 году заводом № 74 Наркомата вооружений, при испытаниях на самолетах Ла-7 и Як-9УТ с двигателем ВК-107А работали с повышенным числом задержек, поэтому в начале испытаний машины № 1630 эти орудия заменили новыми, изготовленными в марте 1945 года. Вследствие массового количества дефектов пушек Б-20 серийный выпуск трехпушечного Як-3 задержался.
В конце 1945 года для увеличения давности связи самолеты стали сдавать заказчику с мачтами для излучателя двухлучевой антенны радиостанции. Тогда же на самолеты начали устанавливать радиостанции РСИ-6 вместо РСИ-3М-1. Станция РСИ-6 была тоже коротковолновой, но отличалась от предшественников повышенной помехозащищенностью и стабильностью несущей частоты. Но из-за огромного количества РСИ-3, построенных во время войны (в 1945 году на складах НКАП скопилось около 7000 радиостанций этого типа), РСИ-6 придерживали, стараясь реализовать залежалый товар.
В 1944 году на выпуск Як-3 с двигателем ВК-105ПФ2 перешел завод № 31 в Тбилиси. В начале апреля того же года был выпушен первый экземпляр машины № 310001 с двигателем ВК-105ПФ2. Его первый полет (ведущие — инженер И. А. Шабанов и летчик-испытатель С. Г. Плыгунов) состоялся 11 апреля. Вооружение истребителя включало пушку МП-20 и два БСа. В ходе испытаний было выявлено 52 дефекта машины и ее систем, из них 10 — конструктивных. Тем не менее летные данные истребителя были в пределах технических условий заказчика и выпуск «яков» продолжили.
В 1945 году в Тбилиси его сменил, несмотря на неудовлетворительные результаты государственных испытаний, Як-3 с двигателем ВК-107А. Но его производство длилось недолго, и в 1946-м после сдачи заказчику 48 машин выпуск прекратили.
Как говорилось выше, весной 1945 года в инициативном порядке на заводе в Саратове началась подготовка к выпуску цельнометаллического крыла и сборка первого Як-3 с мотором ВК-107А, вооруженного пушками Б-20. 30 апреля эту машину выкатили на аэродром.
В мае завод получил указание завершить производство Як-3 с мотором ВК-105ПФ-2 и перейти на выпуск самолетов с ВК-107А с металлическими крылом и оперением. По плану в августе 1945 года завод № 292 должен был выпустить десять самолетов такой модификации, но построили лишь четыре машины (включая одну для статиспытаний), и то в 1946 году.
По распоряжению правительства от 22 марта того же года Як-3 с ВК-107А сняли с производства на заводе в Саратове. Правда, в Тбилиси разрешили собирать машины из оставшегося задела, но в августе и там остановили их выпуск. Судя по всему, задел по Як-3 использовали для изготовления реактивных Як-15.
В отличие от истребителя Як-9 с мотором ВК-107А, построенного в 2214 экземплярах, оба завода выпустили лишь 51 Як-3 ВК-107А. Им были свойственны те же дефекты, что и Як-9, но главным был все же неудовлетворительный температурный режим двигателя.