Все три запущенных в серию предвоенных советских истребителя имели двигатели водяного охлаждения. Важно отметить, что в двигателях водяного охлаждения авиапром испытывал недостаток (яркое свидетельство - прекращение производства МиГ-3 в пользу Ил-2), в то время как "звезды" воздушного охлаждения М-82 в буквальном смысле было некуда девать.

Впрочем, конструкторы истребителей, особенно ЛаГГ-3, сами проявляли интерес к звездообразному мотору воздушного охлаждения. ЛаГГ-3 получился более тяжелым по сравнению с Як-1, а моторы М-105 на истребителях стояли одинаковые. Неудивительно, что летчикам больше нравились Яки. Установка М-82 сулила прибавку в триста лошадиных сил и повышение живучести при попаданиях пуль и снарядов в двигатель. Правда, возрастало лобовое сопротивление самолета за счет большего миделя двигателя воздушного охлаждения, тем не менее, мощность "звезды" с лихвой перекрывала рост сопротивления, позволяя получить большую скорость и скороподъемность.

К возможности установки М-82 на ЛаГГ Лавочкин относился скептически, считая, что лобастый двигатель не удастся состыковать с фюзеляжем без существенной переделки планера, а переделка - это время, которого нет. Окончательное решение по установке мотора воздушного охлаждения на истребитель принималось в необычной обстановке. Все ведущие специалисты КБ во главе с Лавочкиным собрались в цехе вокруг "безмоторного" планера ЛаГГа, к которому на талях подвели М-82. Стали смотреть: оказалось, что лишние 250кг массы мотора на центровку, как ни странно, влияют мало - устранить смещение центра тяжести вперед вполне можно за счет переноса некоторого оборудования в хвостовую часть фюзеляжа. Плавно состыковать "головастый" двигатель с узким фюзеляжем получалось путем наложения фальшбортов. Реальной проблемой являлось обеспечение охлаждения цилиндров двигателя. Обычно на моторах такого типа используются регулируемые юбки - на ЛаГГе установить такую юбку без существенной переделки не получалось никак. Заместитель Швецова Валединский предложил сделать для выпуска воздуха совки по бортам фюзеляжа. Это был выход, однако полностью решить проблему перегрева головок цилиндров, которые находились не в створе совков, так и не удалось.

Вооружение: две синхронные пушки ШВАК и два синхронных пулемета калибра 12,7мм. Синхронные пушки были тогда очень большим дефицитом, к счастью, на заводе имелись и пушки, и синхронизаторы, остававшиеся от строившихся здесь И-16.

В марте летчик-испытатель Василий Яковлевич Мищенко поднял в воздух будущий Ла-5. Самолет стал неузнаваемым: увеличилась скорость и скороподъемность, однако недостатков тоже хватало. Грелось масло, грелось так, что продолжительный полет не представлялся возможным. Однако летные данные истребителя оказались настолько впечатляющими, что было предписано немедленно провести государственный испытания.

Перегрев масла происходил из-за того, что на самолете остался маслорадиатор от М-105, который для более мощного М-82 оказался маловат, другого же не было. Тем не менее, радиатор нашелся: представители Яковлева привезли на завод маслорадиатор к двигателю М-107. Лавочкин категорически отказался брать чужое. Но маслорадиатор его сотрудники все-таки "позаимствовали" втайне и от своего шефа, и от представителей Яковлева. За два дня радиатор установили на истребитель; из-за больших размеров маслорадиатора пришлось снять синхронные пулеметы, оставив только пушки. Первый полет на доработанной машине выполнил Мищенко. Полет прошел отлично, температура масла - в пределах нормы.

Конструктивно Ла-5 практически аналогичен ЛаГГ-3. Изменения коснулись передней части фюзеляжа, они связаны с установкой нового двигателя и вооружения.

Уже в сентябре 1942 года истребительные полки, оснащенные машинами Ла-5, участвовали в сражении под Сталинградом и добились крупных успехов. Бои показали, что новый советский истребитель обладает серьезными преимуществами перед фашистскими самолетами такого же класса. Его скорость 613км/час при хорошей маневренности была выше скорости лучших истребителей противника. Ла-5 быстро завоевал признание. Большие скорости горизонтального полета, неплохая скороподъемность и приемистость в сочетании с лучшей, чем у ЛаГГ-3, маневренностью на вертикалях, обусловили резкий качественный скачок при переходе от ЛаГГ-3 к Ла-5. Мотор воздушного охлаждения имел большую живучесть, чем мотор жидкостного охлаждения, и одновременно являлся своеобразной защитой летчика от огня с передней полусферы. Используя это свойство, летчики, летавшие на Ла-5, смело шли в лобовые атаки, навязывая противнику выгодную для себя тактику боя.

Истребитель Ла-5 превосходил ЛаГГ-3, но уступал "Густаву" Bf.109G, в больших количествах появившемуся под Сталинградом. Кроме того, далеко не все недостатки сумели устранить при внедрении машины в серию: в кабине Ла-5 стояла удушающая жара, обусловленная плохой термоизоляцией двигателя и отсутствием вентиляции, ненадежно работал мотор и вооружение. От некоторых дефектов удалось избавиться в ходе серийного выпуска самолетов, но отставание от Мессершмитта и только что появившегося на Восточном фронте Fw.190 можно было преодолеть только серьезной модернизацией.

Такие работы развернулись под руководством Лавочкина осенью 1942 года. Направление - традиционное: уменьшение массы машины вкупе с попытками поднять мощность двигателя. Массу снизили за счет отказа от крыльевых топливных баков. У модифицированного М-82Ф время работы на взлетном режиме достигло 10 минут, на практике это означало прибавку мощности в бою на 200-300 лошадиных сил. Облегченный Ла-5 с М-82Ф пошел в серию под обозначением Ла-5Ф.

По сравнению с самолетом Bf.109G-4 истребитель Ла-5Ф имел до высоты 6км значительно меньшие время и радиус виража. Вертикальный маневр Ла-5Ф и Bf.109G был практически одинаков до высоты 3,5км. На больших высотах преимущество в этом виде маневра переходило к Bf.109.

По сравнению с Fw.190A-4 истребитель Ла-5Ф, как свидетельствуют результаты сравнительных испытаний, имел преимущество по скорости и всем видам маневра во всем диапазоне высот, где в основном велись воздушные бои.

К концу 1942 года моторостроители создали модификацию двигателя М-82 с непосредственным впрыском топлива в цилиндры М-82ФН. По основным показателям он оказался очень удачным и обладал повышенной надежностью. Этот мотор широко применялся не только в период Великой Отечественной войны, но и в послевоенное время. По сравнению с М-82 он обладал большей мощностью.

В ОКБ Лавочкина под этот мотор разрабатывался новый вариант самолета Ла-5, в котором конструкторы реализовали почти все рекомендации ЦАГИ по улучшению его аэродинамики, снизили вес благодаря замене деревянных лонжеронов крыла металлическими, а также за счет других изменений в конструкции самолета. Фюзеляжи стали изготавливать с пониженным гаргротом, а фонарь получил дополнительное остекление в задней части. Вместо бронезаголовника стали ставить 66-мм бронестекло, что тоже улучшило обзор в заднюю полусферу.

Итоги испытаний нового самолета Ла-5ФН превзошли все ожидания. Достаточно сказать, что максимальная скорость полета выросла до 635км/ч. Теперь Ла-5 по праву вышел в число лучших истребителей мира. По скорости полета на малых и средних высотах, а также по характеристикам вертикального и горизонтального маневра он значительно превосходил немецкий истребитель Fw.190A.

Кроме боевого Ла-5 в 1943 году был выпущен на испытания его двухместный учебный вариант Ла-5УТИ.

Дальнейшее совершенствование истребителя Ла-5 упиралось в мотор. В конце апреля 1943 года совершил полет опытный Ла-5 М-71, оснащенный двухрядным радиальным 18-цилиндровым мотором М-71 (АШ-71) взлетной мощностью 2200л.с. По результатам испытаний истребитель не показал ожидаемых данных, хотя и превзошел по скорости Ла-5ФН. Аэродинамики пришли к заключению, что после устранения производственных дефектов и внесения некоторых изменений в конструкцию Ла-5 М-71 может достигнуть скорости 720км/ч. Но двигатель M-71 серийно не строился.