Отвечая требованиям фронта, в ОКБ-115 разработали вариант Як-9Д с увеличенной дальностью полета. Для этого удвоили количество топливных баков, и их общая емкость достигла 650 литров. Два дополнительных бака, вмещавших по 117 литров горючего, разместили в консолях крыла. При этом отказались от традиционного расходного бачка, топливо вырабатывалось непосредственно из основных баков. Естественно, увеличился с 25 до 48 кг и запас масла. Полетный вес машины с прежним составом вооружения возрос до 3117 кг.
Одновременно с этим по рекомендации ЦАГИ улучшили отделку передней кромки крыла и фюзеляжа, заделав в нем многочисленные щели. В итоге возросла не только дальность (в зависимости от режима полета она изменялась от 875 до 1360 км, а продолжительность полета – от 1 часа 44 минут до 4,5 часа), но и скорость. В то же время маневренность истребителя, его скороподъемность и потолок ухудшились, но это все следствие его утяжеления.
Як-9Д построили в начале 1943 года и 14 января передали в НИИ ВВС. Ведущими на этапе государственных испытаний, завершившихся 28 февраля, были летчик В. Е. Голофастов и инженер И. Г. Рабкин. Помимо уже отмеченных преимуществ и недостатков новой машины, в акте НИИ ВВС отмечался скудный состав пилотажно-навигационного оборудования. В частности, указывалось на отсутствие радиополукомпаса и авиагоризонта, необходимых для длительных полетов на расстояние около 1000 км. Мала была и дальность радиосвязи (не более 60 км).
В ходе государственных испытаний провели несколько воздушных боев с трехточечным Ме-109Г-2, показавших, что на высотах до 3500 метров Як-9Д имел значительное преимущество в горизонтальном маневре перед «немцем». К концу второго виража «як» заходил в хвост «противнику» на дистанцию прицельного огня. При выполнении левых виражей Як-9Д заходил в хвост «мессершмитту» через два-три виража.
На высотах от 3500 до 5500 метров преимущество Як-9Д в горизонтальном маневре постепенно уменьшалось, и на высоте 5500 метров они становились равноценными. На больших высотах преимущество оказывалось на стороне Ме-109Г-2. На высоте 7500 метров «немец» заходил в хвост «яка» через два-три виража.
Но бой на горизонталях считается оборонительным, иное дело противоборство на вертикалях. Як-9Д имел незначительное преимущество перед «мессершмиттом» лишь до высоты 2000 метров, и то в случае комбинации вертикального и горизонтального маневров. На высотах от 2000 до 3500 метров они были практически равноценны, но на больших высотах инициатива переходила в руки немецкого пилота. Уходил «немец» от «яка» и на пикировании. В итоге военные испытатели пришли к выводу, что Як-9Д до высоты 5000 метров может успешно вести наступательный воздушный бой с Ме-109Г-2, применяя комбинированный маневр как в горизонтальной, так и вертикальной плоскости. Як-9Д не мешкая запустили в серийное производство.
Войсковые испытания трех Як-9Д проходили в 18-м иап (командир – Герой Советского Союза А. Е. Голубов) и в 20-м иап (командир – А. К. Петровец). Надо сказать, что к тому времени Як-9Д уже вовсю применялся в боевых действиях, причем далеко не по своему назначению. В частности, средняя продолжительность полета Як-9Д не превышала одного часа. По результатам же войсковых испытаний предстояло выработать рекомендации строевым пилотам по более эффективному использованию этих машин.
В 18-м полку кроме Як-9Д имелись две эскадрильи, укомплектованные истребителями Як-9 и Як-9Т. За время испытаний летчикам Як-9Д летать на сопровождение бомбардировщиков не доводилось, и вся боевая работа заключалась в поддержке наземных войск и борьбе с самолетами неприятеля. За месяц, начиная с 17 августа 1943 года, Як-9Д участвовали в семи воздушных боях, сбив два ФВ-190, один – Хе-111 и пару Ю-87. При этом потеряли один свой самолет, а другой был поврежден. Средняя же продолжительность полета была 1 час 14 минут. Главным же выводом по результатам войсковых испытаний Як-9Д стало пожелание военных использовать машину по своему прямому назначению на больших удалениях от аэродрома базирования и ни в коем случае не применять в смешанных с другими истребителями боевых порядках.
Более эффективными действия истребителей сопровождения признали в авиации ВМФ. В частности, на Балтике, где Як-9Д 21-го иап использовался для сопровождения торпедоносцев-топмачтовиков А-20 «Бостон» из 51-го минно-торпедного авиаполка (мтап).
Серийный выпуск самолетов в те годы обычно сопровождался внедрением тех или иных новшеств, что вынуждало заказчика проводить не только контрольные испытания боевых машин, но и дополнительные государственные. Не стал исключением и Як-9Д. Так, в феврале и марте 1944 года испытывались машины № 07–06 и № 08–85.
С марта 1943-го по июнь 1946 года выпущено 3058 истребителей Як-9Д.