В мае 1941 года серийный ЛаГГ-3 впервые поднялся в воздух. Испытания проводили пилоты из НИИВВС в Чкаловской (Московская обл.). Оказалось, что серийные ЛаГГ-3 значительно уступают по своим летным качествам прототипу И-301. Если у земли И-301 развивал 515 км/ч, то ЛаГГ-3 едва набирал скорость 498 км/ч. На высоте 5000 метров ЛаТТ-3 развивал всего 575 км/ч против 605 км/ч у И-301. Скороподъемность прототипа достигала 900 м/мин, а у серийного самолета не превышала 750 м/мин.
ЛаГГ-3 1-й серии очень плохо слушались руля направления. Этот недостаток удалось частично устранить, установив на руль направления два компенсатора — один сверху, а другой снизу. Компенсаторы появились вскоре после начала выпуска 1-й серии.
Первые предсерийные ЛаГГи, построенные на ГАЗ-21, оснащались высокой радиомачтой, расположенной позади кабины пилота и короткой мачтой, установленной на киле. В процессе серийного выпуска конструкцию самолета упростили — длинную мачту укоротили, а короткую убрали вообще. Большинство ЛаГГов 1-й серии имело короткую мачту, два компенсатора руля направления и не имело короткой мачты на киле. Длинная антенна вновь появилась на машинах 3-й (4-й) серии, а антенна на киле появилась у машин 23-й серии.
Первые три производственные серии мало различались друг от друга (исключение составляли предсерийные самолеты, построенные на ГАЗ-21). Большинство машин первых трех серий имели овальный воздухозаборник, но на некоторых самолетах воздухозаборник был треугольной формы.
Весной 1941 года началось переоснащение первых истребительных полков.
Переход на новые машины требовал времени и больших усилий. Переоснащаемые полки дислоцировались в районе советско-монгольской и советско-китайской границы. В августе 1939 года на этом участке границы произошла приграничная стычка между СССР и Японией. Обстановка в этом районе продолжала оставаться напряженной, поэтому именно сюда начали поступать новые истребители.
Освоение новой матчасти шло очень тяжело, именно тогда появилась вторая расшифровка аббревиатуры ЛаГГ — Лакированный Гарантированный Гроб. Пилоты привыкли летать на необычайно маневренных и прощающих даже грубые ошибки бипланах И-152. ЛаГГ-3, напротив, ошибок не прощал и, проходя крутой вираж, норовил свалиться в штопор. Кроме того, ЛаГГ-3 проявлял склонность к кабрированию при заходе на посадку и снижении скорости. Перевооружение затягивалось еще по той причине, что многие самолеты или имели скрытые дефекты или были повреждены, в результате чего большинство самолетов отправили обратно на заводы в капитальный ремонт. Выяснилось, что гидравлическая система самолета еще не доведена, при посадке часто отказывали шасси, и постоянно заклинивало вооружение. Все перечисленные выше проблемы не удалось устранить до начала военных действий.
Недостатки самолета оказались настолько значительными, что 31 мая 1941 года Народный Комиссариат Авиационной промышленности издал специальное постановление, в котором предписывалось немедленно устранить выявленные изъяны в конструкции и увеличить выпуск самолетов.
К 22 июня 1941 года четыре завода успели выпустить только 322 ЛаГГ-3. В первые дни войны ни один из ЛаГГов не участвовал в боях с фашистскими захватчиками, поскольку все имевшиеся на то время самолеты находились на востоке страны.
Полки, оснащенные ЛаГГами, были переброшены в европейскую часть страны только после того, как стало совершенно ясно, что Япония пока не намеревается нарушать Пакт о ненападении, подписанный 13 апреля 1941 года. На фронт бросили все имеющиеся ЛаГГи.