Вооружение базового варианта Як-3 состояло из одной мотор- пушки ШВАК калибром 20 мм и одного или двух крупнокалиберных синхронных пулеметов УБ-12,7. Яковлев считал моторную установку пушки одним из главных преимуществ своего истребителя: она хороша тем, что позволяет использовать всю скорострельность оружия. Синхронизация же его работы с вращением воздушного винта вызывала снижение темпа стрельбы короткими очередями (основной режим стрельбы) примерно на 35%. На немецких и американских самолетах с трехлопастными винтами снижение достигало 30%. В литературе, даже вполне солидной, это обстоятельство часто не учитывается, и характеристики авиавооружения приводятся. исходя из его стендовой скорострельности. Размещение пушки в валу винта выгодно также тем, что при этом достигается минимальное рассеивание снарядов, тогда как у оружия, установленного в крыле, этот важный параметр страдает больше всего.
Попытаемся сравнить вооружение основных истребителей того времени, учтя потери на синхронизацию оружия и винта. Приведенная ниже таблица показывает, что Як-3 первых серий по величине секундного залпа и дульной мощности даже несколько превосходил самолеты Ла-5 и Ла-7 с двумя пушками ШВАК, уступая «трехточечным» Ла-7, но последних было немного. С установкой на Як-3 двух пулеметов УБ отставание от Ла-7 с тремя синхронными пушками Б-20 сократилось. Но по сравнению с немецкими, английскими и американскими истребителями, огневая мощь Як-3 все же была слабее – только «чистый» Bf 109G-2 имел сравнимые показатели вооружения, у остальных же и вес залпа, и дульная мощность были существенно больше за счет установки большого числа стволов в крыле вне диска винта.
Однако эти расчеты не учитывают фугасный эффект снаряда, из-за чего огонь Ла-5 часто был более эффективен, чем «Яка». Особенно сильно это проявлялось при стрельбе по бомбардировщикам и бронированным штурмовикам. Очень высоко ценили советские летчики и вооружение американского истребителя «Аэрокобра» с 37-мм пушкой.
Конструкторское бюро Яковлева уже имело опыт создания истребителей с усиленным вооружением а Як -9Т с пушкой НС-37 выпускался в больших количествах и проявил себя очень хорошо. В 1944 г. КБ-16 Наркомата вооружение под руководством А. Нудельмана на основе НС-37 создало оригинальную пушку – Н-37. За счет ограничения начальной скорости снаряда с 900 до 690 м/с скорострельность увеличили с 250 до 400 выстрелов в минуту. Эту пушку поставили на новый вариант Як-3 с боекомплектом 25 снарядов, а пулеметы УБ заменили парой пушек Б-20С такого же веса (по 100 снарядов на каждую). Огневая мощь резко возросла секундный залп достиг 6,5 кг, а дульная мощность превысила 113000 л.с., но вес оружия также увеличился, что отразилось не только на скорости и маневренности, но и на устойчивости самолета.