Як-3 имел практическую дальность менее 650 км, а среднее время нахождения в воздухе составляло около 45 минут, в связи с чем самолет не лучшим образом был приспособлен для задач сопровождения или патрулирования, но отлично проявил себя в действиях против истребителей противника. В период войсковых испытаний с 20 июня по 2 августа 1944 года летчики 91-го авиаполка доложили об уничтожении трех Ju.87, четырнадцати Bf.109 и шести Fw.190А, потеряв два самолета в воздушном бою и три от огня ПОВ, потери при этом составили один самолет на 19 боевых вылетов. В диапазоне высот до 4000 метров Як-3 по своим летным характеристикам превосходил большинство современных ему истребителей.
В конце 1944 года конструкторское бюро получило задание создать на базе Як-3 самолет с усиленным вооружением. В апреле 1945 года был начат выпуск истребителя Як-3П, несущего три 20-мм пушки Б-20. В боевых действиях против люфтваффе машины этого типа участия принять уже не успели, став последней массовой модификацией Як-3 – с 1 августа 1945 года истребитель строился только в этой конфигурации, до окончания выпуска в середине 1946 года было произведено 596 Як-3 П.
Всего было выпущено 4848 серийных самолетов Як-3 ПФ2 всех модификаций, в том числе около 4100 истребителей до окончания войны.
В начале 1945 года был создан также Як-3Т (танковый), имевший в составе вооружения 37-мм пушку Н-37 и две синхронные пушки Б-20, однако из-за ряда неустраненных дефектов – в первую очередь связанных с неудовлетворительной работой системы охлаждения двигателя – до серийного выпуска этот самолет доведен не был.
Одной из последних разработанных модификаций стал Як-3У, при создании которого конструкторы снова вернулись к идее установки двигателя воздушного охлаждения АШ-82. Однако первый вылет состоялся уже после капитуляции Германии – 12 мая 1945 года, и осваивать в серии новый самолет с поршневой силовой установкой в конечном итоге сочли уже нецелесообразным.
Стимулом развития еще одной ветви модификаций истребителей Яковлева стало появление в небе Москвы высотных немецких разведчиков-бомбардировщиков Ju.86R, имевших потолок до 14 400 м и фактически неуязвимых как для средств зенитной артиллерии ПВО, так и для истребителей. 12 ноября 1942 года было принято постановление Государственного Комитета Обороны «О создании высотного бомбардировщика и высотного истребителя».
Первым опытом ОКБ-115 по созданию высотного истребителя, осуществленным еще в сентябре 1942 года, стала установка на истребитель Як-7Б высотного двигателя М-105 ПД, оснащенного нагнетателем Е-100. Это позволило увеличить потолок до 11 300 м, а скороподъемность до 926 м/мин. Однако при этом на самолете отсутствовал автомат управления регулировки оборотов первой ступени сжатия нагнетателя, а ручное управление не только усложняло пилотирование, но и – вследствие невозможности точно выдерживать летчиком требуемые параметры – влияло на летные характеристики. К тому же сам двигатель М-105 ПД оставался недоведенным, что приводило к тряске, дымлению и падению давления масла ниже допустимого при наборе высоты. Понижало боевую эффективность и то, что для облегчения самолета на нем оставили только одну пушку ШВАК, сняв пулеметы. Все перечисленное привело к прекращению работ по Як-7ПД.