Истребитель Bf 109К-4 из эскадры JG 53
К началу 1944 г. выпускались две основные модели Як-9 – Як-9Д с 20-мм пушкой и увеличенным запасом топлива и Як-9Т с 37-мм пушкой. Помимо вооружения, эти машины отличались конструкцией фюзеляжа – у Як-9Т кабина пилота была сдвинута на 0,4 м назад. Стремление к унификации привело к созданию варианта Як-9М, имевшего фюзеляж, как у Як-9Т, но вооруженного 20-мм мотор-пушкой и 12,7-мм синхронным пулеметом. Такой вариант сменил в производстве Як-9Д и выпускался с мая 1944 г. по июнь 1945 г. (построено 4239 экземпляров). С конца 1944 г. Як-9М комплектовался более мощным и менее высотным двигателем ВК-105ПФ-2 (1290 л.с.).
В частях, эксплуатировавших самолеты Як-9Д и Як-9М, буквенные индексы часто опускали, именуя их просто Як-9.
В 1944 г. на фронт начали поступать бомбардировщики Ту-2, дальность полета которых более чем вдвое превышала аналогичный показатель Пе-2. Для их сопровождения уже не хватало дальности даже четырехбачного Як-9Д. Увеличенная дальность требовалась и для проведения воздушных операций с авиацией союзников. Создавая модификацию Як-9 для решения этих задач, Яковлев не пошел на применение подвесных топливных баков, поскольку вызванное ими увеличение лобового сопротивления было недопустимым для «слабого сердца» – маломощного двигателя. Продемонстрировав чудеса изобретательности, конструкторы сумели увеличить внутренний запас топлива до 630 кг – почти на треть по сравнению с Як-9Д. Самолет, получивший обозначение Як-9ДД, имел фюзеляж, как у Як-9Т (со сдвинутой назад кабиной летчика), и вооружение из 20-мм пушки и 12,7-мм пулемета.
Испытания Як-9ДД начались в апреле 1944 г. Ввиду большого запаса топлива взлетная масса машины оказалась рекордной для всего семейства Як-9 – 3390 кг, однако и максимальная дальность полета достигла 1800 км (у Як-9Д – 1400 км). Серийно Як-9ДД строился с мая 1944 г. по сентябрь 1945 г. Всего выпустили 399 таких машин.
Обрела дальнейшее развитие и тенденция к вооружению самолета крупнокалиберным оружием – в самом конце 1943 г. была разработана модификация Як-9К, вооруженная 45-мм пушкой НС-45, снабженной мощным дульным тормозом (сила отдачи у орудия составляла 7 тс). И все же при стрельбе на небольших скоростях самолет разворачивало, а летчик испытывал резкие толчки. В связи с этим рекомендовалось вести огонь короткими очередями по 2-3 снаряда. Масса секундного залпа Як-9К достигла 5,53 кг (у Як-9 – 2,0 кг, у Як-9Т – 3,74 кг). Летные характеристики в основном соответствовали Як-9Т. В апреле-июне 1944 г. изготовили серию из 53 машин Як-9К для войсковых испытаний, но ввиду выявившейся ненадежности пушки НС-45 в массовое производство эта модификация не внедрялась.