С переходом Красной Армии к наступлению вновь приобрела актуальность задача обеспечения действия истребительной авиации на значительном удалении от своих аэродромов. Для ее решения КБ Яковлева был создан дальний истребитель Як-9Д, выпуск которого был начат в марте 1943 года. Основным его отличием стало наличие четырех топливных баков емкостью 650 л, что обеспечивало практическую дальность до 1360 км. При полной заправке маневренность и скороподъёмность истребителя неизбежно ухудшались, однако по мере расхода топлива и снижения веса летные характеристики становились сравнимы с исходными.
В 1944 году был создан дальний истребитель Як-9ДД, дальность полета которого достигала 2285 км при продолжительности полета 6,5 часа. Самолет был оборудован девятью топливными баками общей емкостью 845 л (630 кг), получив в войсках прозвище «летающая цистерна». Одной из операций, осуществленных советскими летчиками на Як-9ДД, стал 1300-километровый перелет 12 истребителей в августе 1944 года на аэродром в Бари (Италия) для обеспечения сопровождения действий транспортных самолетов по снабжению партизанских отрядов на территории Югославии.
С 1943 года небольшой партией выпускался разведчик Як-9Р, применявшийся в двух вариантах – ближнем, в который, как правило, переоборудовались серийные Як-9, и дальнем, строившемся в заводских условиях на базе Як-9Д. Вариант дальнего разведчика оборудовался аэрофотоаппаратом АФА-ЗС/50, радиополукомпасом, авиагоризонтом, четырьмя бензобаками емкостью 480 кг и имел дальность полета до 1400 км. При этом на части самолетов сохранилось штатное вооружение из одной пушки ШВАК и пулемета УБС, на других устанавливалась только пушка.
Одним из существенных недостатков истребителей Яковлева, по мнению некоторых советских летчиков, была недостаточная огневая мощь – одна 20-мм пушка и один-два пулемета. Относился к их числу и А. Покрышкин, считавший, что «… для борьбы с бомбардировщиками необходимо… как минимум две-три пушки».
Однако хотя советский ас в своих мемуарах утверждал, что его пожелания, высказанные лично А.С. Яковлеву, были восприняты конструктором негативно, было бы ошибкой считать, что в КБ этому вопросу не придавали значения. Еще в апреле 1941 года под руководством К. Виганта был создан самолет И-30, получивший также предварительное обозначение Як-3. Машина имела ряд существенных отличий от И-26 (Як-1) – в том числе такие принципиальные, как цельнометаллическое разъёмное крыло, металлическое хвостовое оперение, шасси улучшенной конструкции, а также козырек фонаря без переплета, предкрылки, посадочная фара и ряд иных. При этом, помимо мотор-пушки на истребитель были установлены два крыльевых орудия ШВАК и пара пулеметов ШКАС. Машину уже готовили к передаче в серийное производство, однако начало войны и последовавшая эвакуация и образовавшийся дефицит алюминия не позволили запустить самолет в серию.
Осенью 1941 года группой инженеров ОКБ Яковлева, занимавшихся организацией серийного выпуска Яков на саратовском заводе № 292, был предложен собственный вариант боевой машины на базе Як-7 УТИ, которая имела только пушечное вооружение по типу И-30. В серию машина не передавалась: помимо сомнений в эффективности такой схемы вооружения при отсутствии пулеметов, сыграла роль и необходимость значительного изменения технологического процесса, и дефицит авиапушек, поставляемых оружейниками.
«Трехпушечный» Як-7 все же принимал участие в боевых действиях – правда, создан он был в конце 1943 года не в заводских условиях, а силами специалистов 281-й самолетной авиаремонтной мастерской 1-й воздушной армии, которые использовав элементы установки вооружения истребителя Ла-5 и британского «харрикейна», заменили двумя синхронными пушками ШВАК «штатные» пулеметы УБС. Схема вызвала интерес у конструкторов ОКБ Яковлева и на заключительном этапе войны была использована на серийных модификациях.
Непосредственно ОКБ в 1943 году была разработана модификация Як-9П, несущая две пушки ШВАК, одна из которых была установлена вместо синхронного пулемета УБС. Однако в серию этот вариант не поступил, так как к этому времени укрепилось мнение, что основным путем повышения огневой мощи Яков следует избрать увеличение калибра устанавливаемой пушки. Подобный опыт у КБ уже имелся – еще в апреле – мае 1942 года были проведены испытания истребителя Як-7–37, вооруженного 37-мм пушкой конструкции Б. Шпитального МПШ-37. Хотя из-за отказов вооружения испытания прошли не вполне удачно, тем не менее была выпущена небольшая серия из 22 самолетов, на которые установили пушку аналогичного калибра НС-37, конструкции Нудельмана и Суранова.
Опыт боевого применения показал, что несмотря на ухудшение летных характеристик, эффективность тяжелого вооружения истребителя подтвердила ожидания. Однако его выпуск продолжать не стали, сделав ставку на аналогичную модификацию Як-9 как более перспективную.