Один из первых серийных Як-3 на контрольных испытаниях в ЛИИ, июль 1944 г.
В отличие от Як-9, Як-3 не стал основой для множества модификаций, да и не мог стать, поскольку задумывался как самолет узкоцелевого назначения. Тем не менее некоторые изменения в ходе производства в его конструкцию вносились. В частности, после выпуска первых 197 самолетов было усилено вооружение – вместо одного 12,7-мм синхронного пулемета стали устанавливать два. Предпринимались и попытки более радикального усиления. Опираясь на опыт создания Як-9Т, Яковлев попытался создать истребитель, вооруженный 37-мм пушкой, и на базе Як-3. Самолет, получивший обозначение Як-ЗТ, вооружили 37-мм мотор-пушкой Н-37 (боекомплект – 25 снарядов), представлявшей собой облегченный вариант НС-37 с уменьшенной начальной скоростью снаряда (с 900 до 690 м/с), но увеличенной скорострельностью (с 250 до 400 выстр./мин). Синхронные пулеметы заменили двумя 20-мм пушками Б-20С (боекомплект – по 100 снарядов). Возросшая масса оружия вынудила пойти на дальнейшее облегчение машины – вновь уменьшили запас топлива, сняли бронестекло и систему нейтрального газа. Для сохранения центровки кабину сдвинули на 0,4 м назад – как на Як-9Т. Однако испытания, начавшиеся в январе 1945 г., были неудачными, и в серии Як-ЗТ не строился. Вместо него в производство запустили Як-ЗП с тремя 20-мм пушками Б-20. Поставки таких самолетов начались в апреле 1945 г. Изготовили 596 Як-9П, но ни один из них на фронт попасть уже не успел.
На модификации Як-ЗТ аналогия со «старшим братом» Як-9 не исчерпывалась. Также была предпринята попытка создания высотной модификации Як-ЗПД с двигателем ВК-105ПД и нагнетателем Э-100. Вооружение при этом ограничили одной 23-мм пушкой НС-23. Опытный экземпляр Як-ЗПД вышел на испытания в феврале 1945 г., но их результаты оказались разочаровывающими. Потолок у этого «высотного» истребителя оказался ниже, чем у обычного Як-3 с ВК-105ПФ-2: самолет не мог нормально летать на высотах больше 9000 м, и 14 мая 1945 г. его доводку прекратили.
Появление нового мотора ВК-107А привело к попытке установить его и на Як-3 (снова аналогия с Як-9У). Первый из двух прототипов Як-ЗУ с таким двигателем вышел на испытания еще в январе 1944 г., но из-за проблем с доводкой мотоустановки они сильно затянулись. После устранения части дефектов Як-ЗУ показал отличные летные данные (правда, без установленного вооружения): скорость на высоте 5750 м достигла 720 км/ч, а высоту 5000 м он набирал за 3,9 минуты. Потолок достиг 11 800 м – как у лучших английских и американских перехватчиков. При этом маневренность осталась на уровне серийного Як-3: время выполнения виража составляло 17-18 с на высоте 1000 м и 24 с – на 5000 м.