Яковлев вел работу в двух основных направлениях: делая легкий Як-3 с улучшенной маневренностью и скоростной Як-9У. Значительную долю прироста летных данных ожидали получить за счет моторов М-106 и М-107, более мощных, чем серийный М-105ПФ. Вооружение пока оставалось на прежнем уровне, но выпускался и Як-9Т с 37-мм пушкой. Лавочкин же стремился соединить прирост летных характеристик с повышением огневой мощи в одном самолете, не предпринимая рискованной замены апробированного мотора. В этом он опирался на работы по улучшению конструкции и аэродинамики серийного Ла 5ФН, которые были проведены совместно с ЦАГИ на самолетах Ла-5Ф М-82Ф № 39210206 и Ла-5 М-71Ф № 39210204.
На улучшенном Ла-5Ф всасывающий патрубок приводного центробежного нагнетателя мотора (ПЦН), который выступал над капотом, ухудшая обзор пилоту, перенесли под капот. «Бороду» маслорадиатора сдвинули из-под носовой части назад. Это потребовало удлинения трубопроводов маслосистемы, но сопротивление этого агрегата стало меньше. Переделали конфигурацию центроплана, улучшили герметизацию капота, фюзеляжа, кабины и ниш шасси. Наконец, самолет облегчили, тщательно обрезав все мелкие «лишние» участки стыков деревянных силовых элементов, которые обычно «торчали» внутри серийного фюзеляжа, зашкурили потеки клея и лакокрасочного покрытия.
Летчик Н.В. Адамович начал испытания Ла-5Ф № 39210206 14 декабря 1943 г. Результаты были положительными, но самолет не предназначался для запуска в серию, а служил лишь для отработки отдельных элементов нового истребителя. Проект приказа по НКАП о постройке двух его опытных образцов был подготовлен еще 13 октября 1943 г.
Разработку машины выполнили в очень короткие сроки под руководством С.М. Алексеева, заместителя главного конструктора ОКБ-21. Сам С.А. Лавочкин в то время занимался организацией филиала своего ОКБ на вернувшемся в Москву из эвакуации заводе № 381. Алексееву помогали всего несколько конструкторов ОКБ-21, но в деле участвовали ведущие сотрудники ЦАГИ во главе с начальником института Шишкиным. Особую роль в улучшении аэродинамики нового истребителя сыграли профессоры С.Л. Зак и А.К. Мартынов.
Главное внимание уделили силовой установке, капоту и фюзеляжу. Сам же мотор остался тот же, что и на серийных Ла-5ФН, – двухрядный звездообразный 14-цилиндровый М-82ФН, форсированный и оснащенный агрегатом непосредственного впрыска топлива в цилиндры НБ-ЗУ. На взлете он развивал мощность 1850 л.с., у земли на боевом режиме и на I границе высотности 1650 м его длительная мощность достигала 1630 л.с., а на II границе высотности 4650 м – 1430 л.с. Применение воздушного винта ВИШ-105СВ4 с «махоустойчивыми» профилями лопастей ЦАГИ повысило тягу при той же мощности на валу и обеспечило прибавку скорости 11 км/ч. Переделка дефлекторов системы обдува цилиндров дала еще 10 км/ч.