«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.
Выпуск истребителя Як-9Т, вооруженного 37-мм пушкой НС-37 и 12,7-мм пулеметом УБС, был начат в марте 1943 года. Установка более тяжелого и габаритного орудия вынудила внести изменения в конструкцию машины – была увеличена прочность силового каркаса, а кабина летчика сместилась на 400 мм назад. Еще одним визуальным отличием самолета стал ствол пушки, на 160 мм выступающий из кока винта. Самолет уступал «базовому» Як-9 в вертикальной маневренности, но при этом попадания одного снаряда 37-мм пушки было достаточно для уничтожения самолета противника, а применение бронебойных боеприпасов позволяло достаточно эффективно бороться и с бронетехникой противника. В общей сложности до июня 1945 года было построено 2748 самолетов Як-9Т.
В конце 1943 года был создан истребитель Як-9К с еще более мощным орудием – 45-мм пушкой НС-45. При этом для установки пушки, ствол которой проходил через вал винта, пришлось установить специальный подшипник, а стенки ствола пушки сделать более тонкими. Самолет оказался более тяжелым – в том числе из-за увеличения емкости топливных баков с 440 до 650 л., что существенно сказалось на летных характеристиках. Кроме того, пушка НС-45 имела сильную отдачу – до 7 тонн, которую не удалось полностью нейтрализовать даже с помощью установки дульного тормоза. Тем не менее в период с апреля по июль 1944 года было выпущено 53 Як-9К, 44 из которых поступили на вооружение строевых частей.