Первый в линейке – истребитель Як-9 – был запущен в серию как легкая, маневренная скоростная боевая машина. Поскольку вопрос о действиях на большом удалении от линии фронта не стоял, самолет имел по два бака в каждом крыле, вмещавших в сумме 320 кг авиабензина топлива. В состав вооружения входила пушка ШВАК и один 12,7-мм пулемет УБС. Благодаря применению дюраля, в частности в конструкции крыла, самолет при этом стал существенно легче своего предшественника Як-7Б.
В то же время освоение новой машины производством проходило достаточно медленно и осложнялось значительным процентом брака, достаточно, впрочем, типичным с учетом невысокой культуры производства на советских промышленных предприятиях, что дополнительно усугублялось привлечением неквалифицированной рабочей силы. Хотя, как правило, рабочие авиапрома имели бронь от фронта, все же рабочих рук не хватало и к станкам нередко становились подростки. А в начале июня 1943 года произошел инцидент, который мог иметь серьезные последствия: накануне готовившегося сражения под Курском значительная часть находящихся в боевых частях истребителей, выпущенных омским заводом № 166, оказалась фактически небоеспособной. На значительном числе самолетов были зафиксированы случаи срыва в полете обшивки плоскостей, что привело к ряду аварий. Причиной стало низкое качество компонентов нитрокраски советского производства, примененных взамен отсутствующих импортных. Этот случай привел к крайне неприятному разговору со Сталиным самого Яковлева и заместителя наркома авиапромышленности П. Дементьева.
Тем не менее Як-9 постепенно завоевывал свое место в строевых частях, позволяя, по отзывам летчиков, более уверенно противостоять истребителям люфтваффе. Тем не менее говорить о превосходстве над немецкими истребителями новых типов было преждевременно. Одной из попыток улучшить характеристики истребителя стала установка двигателя М-106, на который Яковлев продолжал возлагать надежды. Однако устранить дефекты двигателя – в том числе сильную вибрацию, выброс масла, детонацию, дымление, повышенный износ свечей – так и не удалось. В 1943 году производство мотора М-106 было полностью прекращено, а дальнейшее совершенствование самолета было ориентировано на двигатель М-105ПФ.
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.